Universidade do Vale do Itaja

Campus VII - So Jos

UNIVALI Direo do Centro de Educao Superior

PROCESSOS DE FABRICAO I

UNIDADE 1

Curso de Engenharia Industrial Mecnica

Prof. Dr. Eng. Cludio Roberto Losekann

AGOSTO/2001

II

NDICE ANALTICO

NDICE ANALTICO ..........................................................................................................................................II

NDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................V

PROCESSOS DE FABRICAO.......................................................................................................................1

1 - INTRODUO................................................................................................................................................1

1.1 - FUNDIO...............................................................................................................................................5

1.2 - USINAGEM...............................................................................................................................................5

1.3 - SOLDAGEM..............................................................................................................................................6

1.4 - METALURGIA DO P.............................................................................................................................6

1.5 - CONFORMAO MECNICA...............................................................................................................7

2 - ENSAIOS MECNICOS.................................................................................................................................8

2.1 - INTRODUO..........................................................................................................................................8

2.2 - DEFINIO.................................................................................................................................................10

2.2.1 - PROPRIEDADES MECNICAS......................................................................................................10

2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECNICOS.......................................................................................................12

2.3.1 - ENSAIO DE TRAO......................................................................................................................13

2.3.1.1 - Diagrama tenso - deformao....................................................................................................................15

2.3.1.2 - Propriedades mecnicas avaliadas..............................................................................................................18

2.3.1.3 - Corpos de prova..........................................................................................................................................22

2.3.1.4 - Limite de escoamento: valores convencionais............................................................................................26

2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSO............................................................................................................27

2.3.2.1 - Limitaes do ensaio de compresso..........................................................................................................28

2.3.2.2 - Ensaio de compresso em materiais dcteis................................................................................................29

2.3.2.3 - Ensaio de compresso diametral.................................................................................................................29

2.3.3 - ENSAIO DE FLEXO......................................................................................................................35

2.3.3.1 - Significado de flexo..................................................................................................................................35

2.3.3.2 - Mtodo do ensaio de flexo........................................................................................................................39

2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA......................................................................................................................41

2.3.4.1 - Dureza Brinell.............................................................................................................................................43

2.3.4.2 - Dureza Meyer.............................................................................................................................................48

2.3.4.3 - Dureza Rockwell.........................................................................................................................................49

2.3.4.4 - Dureza Vickers...........................................................................................................................................55

2.4.4.5 - Microdureza por penetrao.......................................................................................................................57

III

2.3.4.6 - Dureza Shore..............................................................................................................................................60

2.3.4.7 -Consideraes finais....................................................................................................................................61

2.3.5 - ENSAIO DE IMPACTO....................................................................................................................65

2.3.5.1 - Descrio do Ensaio de Impacto.................................................................................................................67

2.3.6 - ENSAIOS METALOGRFICOS.......................................................................................................76

2.3.6.1 - Ensaio metalogrfico macrogrfico.............................................................................................................77

2.3.6.2 - Ensaio metalogrfico microgrfico.............................................................................................................77

3 - AJUSTAGEM.................................................................................................................................................87

3.1 - INTRODUO........................................................................................................................................87

3.2 - DEFINIO.............................................................................................................................................87

3.2.1 - LIMAGEM........................................................................................................................................88

3.2.1.1 - Critrio para a escolha da ferramenta..........................................................................................................88

3.2.1.2 - Classificao geral das limas......................................................................................................................91

3.2.1.3 - Informaes gerais......................................................................................................................................94

3.2.2 - TRAAGEM.....................................................................................................................................95

3.2.2.1 -Tipos de traado...........................................................................................................................................95

3.2.2.2. - Materiais de traagem................................................................................................................................96

3.2.3 - SERRAMENTO...............................................................................................................................100

3.2.4 - FURAO......................................................................................................................................102

3.2.4.1 - Tipos de furao.......................................................................................................................................102

3.2.4.2 - Tipos de furadeiras....................................................................................................................................103

3.2.4.3 - Brocas.......................................................................................................................................................105

3.2.4.4 - Parmetros de furao...............................................................................................................................108

3.2.4.5 - Escareadores.............................................................................................................................................109

3.2.5 - ROSCAMENTO..............................................................................................................................109

3.2.5.1 - Machos.....................................................................................................................................................111

3.2.5.2 - Cossinetes.................................................................................................................................................112

3.2.5.3 - Tipos de roscamento.................................................................................................................................113

4 - USINAGEM..................................................................................................................................................118

4.1 - INTRODUO......................................................................................................................................118

4.2 - PROCESSOS CONVENCIONAIS DE USINAGEM............................................................................118

4.2.1 - AFIAO........................................................................................................................................119

4.2.2 - ALARGAMENTO............................................................................................................................119

4.2.3 - APLAINAMENTO...........................................................................................................................120

4.2.4 - BROCHAMENTO...........................................................................................................................123

4.2.5 - BRUNIMENTO...............................................................................................................................123

4.2.6 - DENTEAMENTO............................................................................................................................124

4.2.7 - ESPELHAMENTO..........................................................................................................................125

4.2.8 - FRESAMENTO...............................................................................................................................126

IV

4.2.9 - FURAO......................................................................................................................................130

4.2.10 - JATEAMENTO.............................................................................................................................132

4.2.11 - LAPIDAO................................................................................................................................132

4.2.12 - LIXAMENTO................................................................................................................................132

4.2.13 - MANDRILAMENTO.....................................................................................................................133

4.2.14 - POLIMENTO................................................................................................................................134

4.2.15 - ROSQUEAMENTO.......................................................................................................................135

4.2.16 - RASQUETEAMENTO...................................................................................................................135

4.2.17 - RETIFICAO.............................................................................................................................135

4.2.18 - SERRAMENTO.............................................................................................................................138

4.2.19 - TORNEAMENTO..........................................................................................................................139

4.3 - PROCESSOS NO CONVENCIONAIS DE USINAGEM...................................................................142

4.3.1 - USINAGEM QUMICA...................................................................................................................142

4.3.2 - USINAGEM POR FEIXE ELETRNICO.......................................................................................142

4.3.3 - USINAGEM POR LASER...............................................................................................................143

4.3.4 - USINAGEM POR ULTRA-SOM.....................................................................................................143

4.3.5 - USINAGEM ELETROQUMICA....................................................................................................144

4.3.6 - ELETROEROSO A FIO...............................................................................................................144

4.3.7 - ELETROEROSO POR PENETRAO........................................................................................145

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................................................146

VNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricao no contexto atual. 3

FIGURA 1.2 - Extruso de cermica e Injeo de plstico 4

FIGURA 1.3 - Fundio em cera perdida. 5

FIGURA 1.4 - Metalurgia do p. 7

FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaiouniversal; b) Durmetro. 11

FIGURA 2.2 - Pea tracionada. 13

FIGURA 2.3 - Tenso de trao. 13

FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps oensaio. 14

FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais atravs do diagrama ssx ee. 16

FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura. 17

FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura. 18

FIGURA 2.8 - diagrama ss x ee para ligas do tipo ao baixo carbono. 18

FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso. 20

FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia. 21

FIGURA 2.11 - Mquina de ensaio e registrador. 22

FIGURA 2.12 - Corpos de prova. 23

FIGURA 2.13 - Tipos de fixao. 23

FIGURA 2.14 - Preparao de corpo de prova. 24

FIGURA 2.15 - Ruptura do corpo de prova no centro. 25

FIGURA 2.16 - Ruptura do corpo de prova fora de centro. 25

FIGURA 2.17 - Determinao do Limite de Escoamento. 26

FIGURA 2.18 - Esquema da compresso. 27

FIGURA 2.19 - Ensaio de compresso. a) normal; b) flambagem. 28

FIGURA 2.20 - Ensaio de compresso em materiais dcteis. 29

FIGURA 2.21 - Esquema de esforos aplicados em um corpo de prova cilndricode dimenses D e L. 30

FIGURA 2.22 - Representao esquemtica da distribuio das tenses decompresso e de trao. 30

FIGURA 2.23 - Ensaios em molas. 31

8) O Que limite de escoamento? 34

FIGURA 2.24 - Flexo em uma barra de seco retangular. 36

FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo. 37

VI

FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma foraF aplicada em sua extremidade. 38

FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos. 39

FIGURA 2.28 - Mtodo de flexo a quatro pontos. 40

FIGURA 2.29 - ngulo ff nas impresses Brinell . 45

FIGURA 2.30 - Penetradores de Dureza Rockwell . 50

FIGURA 2.31 - Indicador analgico . 51

FIGURA 2.32 - Esquema da seqncia de operaes . 52

FIGURA 2.33 - Aspectos da fratura . 66

FIGURA 2.34 - Mquina de ensaio de impacto . 68

FIGURA 2.35 - Ensaio Charpy e Izod . 71

FIGURA 2.36 - Corpos de prova Charpy e Izod . 71

FIGURA 2.37 - Temperatura de transio . 73

FIGURA 2.38 - Retirada de amostras. 74

FIGURA 2.39 - Curvas de energia absorvida de um mesmo material. 75

FIGURA 2.40 - Influencia da localizao de um corte longitudinal axial sobre oaspecto de segregao. 78

FIGURA 2.41 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente ecom feixes incidentes e de reflexo de luz. 81

FIGURA 2.42 - Macrografia de uma pea de alumnio fundido com contornosde gros revelado por ataque com HCl. 82

FIGURA 2.43 - Micrografia da perlita. 82

FIGURA 3.1 - Limagem. 88

FIGURA 3.2 - Limagem em bancada. 89

FIGURA 3.3 - Limagem em torno. 90

FIGURA 3.4 - Perfis de lima. 92

FIGURA 3.5 - Limas rotativas. 92

FIGURA 3.6 - Limas especiais. 93

FIGURA 3.7 - Caractersticas gerais das limas. 94

FIGURA 3.8 - Traado no plano. 96

FIGURA 3.9 - Traado no espao. 96

FIGURA 3.10 - Tipos de esquadro. 97

FIGURA 3.11 - Graminho. 98

FIGURA 3.12 - Gonimetro. 98

FIGURA 3.13 - Compasso. 99

VII

FIGURA 3.14 - Calo de apoio simples e forma de T para grandes apoios. 99

FIGURA 3.15 - Serra manual. 100

FIGURA 3.16 - Direo de corte. 100

FIGURA 3.17 - Serras circulares. a) caso 1; b) caso 2. 101

FIGURA 3.18 - Serras contnuas. 102

FIGURA 3.19 - Etapas da furao. 102

FIGURA 3.20 - Furadeira de bancada. 103

FIGURA 3.21 - Furadeira de coluna. 103

FIGURA 3.22 - Furadeira radial. 104

FIGURA 3.23 - Furadeira de coordenadas. 105

FIGURA 3.24 - Broca. 106

FIGURA 3.25 - Ponta da broca. 106

FIGURA 3.26 - ngulo da ponta. 107

FIGURA 3.27 - ngulo de folga. 108

FIGURA 3.28 - Escareadores. 109

FIGURA 3.29 - Pente para determinao de rosca. 110

FIGURA 3.30 - Macho desbastador. 111

FIGURA 3.31 - Desandador. 112

FIGURA 3.32 - Cossinete de entrada helicoidal. 113

FIGURA 3.33 - Roscamento externo com cossinete. 113

FIGURA 3.34 - Roscamento externo com ferramenta de perfil mltiplo. 114

FIGURA 3.35 - Roscamento externo com ferramenta de perfil nico. 114

FIGURA 3.36 - Roscamento externo com fresa de perfil mltiplo. 115

FIGURA 3.37 - Roscamento externo com com jogo de pentes. 116

FIGURA 3.38 - Roscamento interno com macho. 117

FIGURA 4.1 - Afiao. 119

FIGURA 4.2 - Cilndrico de acabamento. 120

FIGURA 4.3 - a) Cnico de acabamento, b) Cnico de desbaste. 120

FIGURA 4.4 - Aplainamento de guias. 121

FIGURA 4.5 - Aplainamento de perfis. 121

FIGURA 4.6 - Aplainamento de ranhuras T. 121

FIGURA 4.7 - Aplainamento de rasgos. 122

FIGURA 4.8 - Aplainamento de rasgo de chavetas. 122

FIGURA 4.9 - Aplainamento de superfcies cilndricas de revoluo. 122

VIII

FIGURA 4.10 - Brochamento externo e interno. 123

FIGURA 4.11 - Brunimento. 124

FIGURA 4.12 - Denteamento. 125

FIGURA 4.13 - Espelhamento cilndrico. 125

FIGURA 4.14 - Espelhamento plano. 126

FIGURA 4.15 - Fresamento cilndrico tangencial de topo. 127

FIGURA 4.16 - Fresamento tangencial concordante. 127

FIGURA 4.17 - Fresamento tangencial disconcordante. 127

FIGURA 4.18 - Fresamento tangencial de perfil. 128

FIGURA 4.19 - Fresamento frontal. 128

FIGURA 4.20 - Fresamento frontal de canaleta. 129

FIGURA 4.21 - Fresamento frontal rabo de andorinha. 129

FIGURA 4.22 - Fresamento composto. 130

FIGURA 4.23 - Furao em cheio. 131

FIGURA 4.24 - Furao de centro. 131

FIGURA 4.25 - Trepanao. 131

FIGURA 4.26 - Lapidao. 132

FIGURA 4.27 - Lixamento com fita e folhas. 133

FIGURA 4.28 - Mandrilamento cilndrico. 133

FIGURA 4.29 - Mandrilamento cnico. 134

FIGURA 4.30 - Mandrilamento esfrico. 134

FIGURA 4.31 - Polimento. 135

FIGURA 4.38 - Torneamento cilndrico externo. 140

FIGURA 4.39 - Faceamento. 140

FIGURA 4.40 - Sangramento axial e radial. 140

FIGURA 4.41 - Perfilamento. 141

FIGURA 4.42 - Torneamento curvilneo. 141

FIGURA 4.43 - Usinagem por feixe de eltrons. 142

FIGURA 4.44 - Usinagem por laser. 143

FIGURA 4.45 - Usinagem por ultra-som. 144

FIGURA 4.46 - Eletroeroso a fio. 145

FIGURA 4.47 - Eletroeroso por penetrao. 145

1PROCESSOS DE FABRICAO

1 - INTRODUO

Generalizar processos de fabricao como uma rea de metal-mecnica um erro to

grande quanto as inquisies imposta pela igreja crist entre os sculos XIII e XVI, isto , os

processos de fabricao esto relacionadas com materiais e produtos, cujo destino o

consumidor. Embora existe uma srie de produtos que tem um conjunto de materiais

diferentes, como um automvel, cuja fabricao das partes so tercerizadas no contexto da

globalizao, pode-se considerar comuns os processos de fabricao em determinados reas

afins. Na atualidada, as reas afins de indstria so: a indstria metal-mecnica, cujo produto

principal de fabricao tem como base o ao, o ferro-fundido, ligas de alumnio e ligas de

cobre; a indstria de cermicas, cujo produto de fabricao de maior consumo aquele

considerado cermica convencional (vasos, pratos, pisos, revestimentos, e outros); a indstria

de plsticos, que tem como base a fabricao de plsticos de utenslios domsticos; a indstria

agro-industrial, que de uma certa forma utiliza os mais diferentes produtos dos outros tipos de

indstrias citadas anteriormente e poderia ser citada tambm a indstria de informtica. Todas

estas indstrias so de transformao e utilizam os mais diferentes tipos de processos de

fabricao. Atravs dos processos de fabricao utilizados nestes grupos principais de

indstrias, houve uma evoluo de novos materiais como os compsitos, que pode ser

metal-plstico, metal-cermica, cermica-plstico. No cabe discutir neste tema definies de

materiais como plsticos ou cermicas, que ambos podem ser classificados como polmeros.

O processo de fabricao de injeo de plstico, bem como a metalurgia do p,

evoluram do processo de fabricao de cermica, que tem sua origem com o incio da

civilizao. A prpria civilizao est em constante mutao, mas as transformaes so

lentas. Por isto, faz-se necessrio lembrar pontos histricos para explicar processos de

fabricao.

2Um dos processos de fabricao mais antigo o processo de fundio. Utilizado pela

civilizao desde 4.000 a.C. a 3.000 a.C., iniciando-se com o processo de fundio de cobre,

seguindo com o bronze e posteriormente com o ferro, por causa do seu elevado ponto de

fuso. Estima-se que o homem das cavernas conhecia o ferro e suas origens como matria

prima para a fabricao de armas e implementos agrcolas. Naquela poca, o ferro era

considerado metal nobre e precioso, sendo utilizado quase que exclusivamente para aqueles

fins e tambm como metal de adorno. Com o passar do tempo, o homem descobriu outras

utilidades que o minrio de ferro poderia proporcion-los.

Em fornos rudimentares, construdos nas encostas das colinas e aproveitando o fluxo

do vento para intensificar a combusto da lenha, esse processo aumentava a produo de

metal fundido, fruto da reduo direta do metal pela queima de lenha. Na Idade Mdia, a

Europa considerava a produo de ferro de suma importncia. Nessa poca, obtinha-se um

tipo grosseiro de ferro fundido pela reduo direta do minrio, sem a obteno direta do ferro

gusa. Isso implicava na obteno de uma massa pastosa que, ao solidificar, tornava-se frgil e

quebradia, o que obrigava sua aplicao por meio de forjados excessivamente pesados e

macios, em geral, espadas, adagas e machados de difcil manejo. Da em diante, o processo

se desenvolveu cada vez mais. Somente nos ltimos sculos vm sido utilizado a cermica em

fornos de fundio para controlar o calor no processo de fundio.

Por volta de 1.450 que se iniciou a obteno intermediria do ferro gusa, j que se

conseguiam maiores temperaturas nos processos ento utilizados. Em conseqncia, o ferro

absorvia maior quantidade de carbono (do carvo vegetal), formando o ferro gusa que escorria

de forma no pastosa, permitindo seu melhor manuseio. Em 1.640, foi desenvolvido o

primeiro alto-forno para produo de ferro gusa. Nessa poca, a indstria siderrgica passou a

ocupar um papel mais preponderante nas atividades comerciais e na economia dos pases

ocidentais, entretanto o consumo de carvo vegetal para a produo de ferro, provocou uma

devastao florestal de repercusso danosa.

Somente em 1.710, perodo da Revoluo Industrial, que se revigorou, na Gr-

Bretanha, o uso industrial do coque (derivado do carvo mineral) como substituto do carvo

3vegetal na reduo do minrio de ferro, provocando um novo e importante impulso na

atividade siderrgica. Entretanto, essas evolues da fundio, decorriam da indstria txtil,

visto que, neste perodo, a produo do tecido de l no atendia a demanda. Invenes como a

mquina de fusos mltiplos produziam rapidamente maior quantidade de fio, especialmente

de algodo, que era importado dos Estados Unidos, tornando-se vital para a indstria txtil da

Gr-Bretanha. Mais aparelhos de fiao como: o water frame - bastidor de fiao de

algodo movido a gua - e a mquina de fiao (1.770), o tear mecnico de Cartwright, que

podia ser operado por mo-de-obra no especializada, marcou o fim da tecelagem manual.

Desta forma, aumentava a produo txtil e conseqntemente a produo de equipamentos

para fabricao destas mquinas. A descoberta do motor a vapor, do ao e posteriormente a

eletricidade contriburam de forma significativa a evoluo dos processos de fabricao.

No contexto atual os processo de fabricao de produtos de consumo esto

interligados. A figura abaixo mostra, de uma forma resumida, estas interligaes.

Matria-prima

Processo de fabricaoMetal-mecnica

Processo de fabricaoPlstico

Processo de fabricaoCermica

Consumidor

FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricao no contexto atual.

A figura abaixo mostra o processo de extruso de cermica e de injeo de plstico. A

metalurgia do p utiliza o mesmo processo da injeo de plstico com algumas alteraes.

4FIGURA 1.2 - Extruso de cermica e Injeo de plstico

A fabricao pode ser definida como a arte e a cincia de transformar os materiais em

produtos finais utilizveis e - num contexto de economia de mercado - rentveis. O processo

global de fabricao uma srie de interaes complexas entre materiais, mquinas, pessoas e

energia, comeando com a criao de peas individuais que iro finalmente constituir, atravs

de operaes de montagem, um produto final.

Na seleo dos materiais para as peas, tem-se em vista as caractersticas exigidas das

peas e o seu comportamento nos sistemas que faro partes; e, por outro lado, as propriedades

que os materiais devem apresentar para atender adequadamente as caractersticas exigidas

com custo mnimo e a vida til esperada. A escolha do processo de fabricao feita

considerando-se as caractersticas de trabalho das peas, seu material, forma e dimenses, o

nmero de unidades a produzir, a taxa de produo, a vida til requerida de cada unidade e o

grau e preciso e acabamento estipulados. Sempre existe uma interao entre o material da

pea e o processo de fabricao, na qual um exerce restries sobre o outro, sendo esta,

portanto, considerao essencial, na maioria dos casos, para seleo de ambos.

No caso particular dos metais, que so um dos materiais mais empregados na

construo mecnica, sua obteno se inicia com extrao e refino do minrio e vem,

geralmente, seguido da fuso para obteno do metal na forma lquida e, posteriormente,

convert-lo em formas (grnulos, barras, ps) que possam ser convenientemente utilizadas nos

diversos processos de fabricao. Os processos de fabricao na indstria metal-mecnica

5podem ser agrupados em cinco classes principais: fundio, usinagem, soldagem,

metalurgia do p e conformao mecnica.

1.1 - FUNDIO

O metal, no estado lquido, vazado dentro de um molde (de gesso, de areia, metlico,

etc. ), que um negativo da pea a ser obtida contendo algumas alteraes prprias das

tcnicas de fundio, e solidifica-se na forma desejada. Trata-se de um capaz de fornecer uma

variedade de formas. Por outro lado, as peas podem facilmente apresentar defeitos

decorrentes do processo, tais como: bolhas de ar, vazios ou rechupes e sua estrutura

geralmente dendrtica (gros colunares e grosseiros).

FIGURA 1.3 - Fundio em cera perdida.

1.2 - USINAGEM

Consiste na remoo (arrancamento) de partculas de material de um bloco ou forma

bruta, at atingir a forma desejada. efetuada com o auxlio de ferramentas adequadas de

material duro em mquinas especiais (tornos, plainas, fresadoras. retificadoras, etc.) ou,

tomada em seu sentido mais amplo, mediante tcnicas especiais no mecnicas como a eletro-

eroso. A usinagem empregada geralmente para produzir formas com elevada tolerncia

6dimensional, bom acabamento superficial e, freqentemente, geometrias complexas. A

usinagem uma operao secundria de processamento, uma vez que, em geral, realizada

em uma pea que j foi produzida por um processo primrio tal como a laminao, forjamento

ou fundio. Como principais desvantagens tem-se: perda de material, morosidade da

operao, incapacidade para alterar a microestrutura da pea, no remediando problemas

provenientes da fundio.

1.3 - SOLDAGEM

um conjunto de processos que permitem obter peas pela unio de vrias partes,

estabelecendo a continuidade das propriedades qumicas, fsicas e mecnicas do material

utilizando, ou no, material adicional para servir de ligao (solda ).

1.4 - METALURGIA DO P

A metalurgia do p consiste na formao de peas atravs da prensagem de ps

(matrias - primas) com o auxlio de ligantes. Uma vez obtido o "corpo - verde", o mesmo

sinterizado em temperaturas especficas com diminuio considervel do volume da pea e

um aumento substancial de sua resistncia mecnica. A metalurgia do p tem tido nos ltimos

anos um grande e acelerado desenvolvimento, conforme dados disponveis; seu futuro a curto

e mdio prazo realmente promissor. Uma das grandes vantagens deste processo tecnolgico

poder obter produtos e componentes acabados com uma homogeneidade e preciso

dimensional superior a conseguida por outras tcnicas e a menor custo para grande produo,

devido principalmente a economia de matria-prima e energia, e a mnima ou nenhuma

operao de usinagem.

7FIGURA 1.4 - Metalurgia do p.

1.5 - CONFORMAO MECNICA

o nome genrico dos processos em que se aplica uma fora externa sobre a matria-

prima, obrigando-a a tomar forma desejada por deformao plstica. O volume e a massa do

metal se conservam neste processos. As vantagens principais so: bom aproveitamento da

matria-prima, rapidez na execuo, possibilidade de melhoria e controle das propriedades

mecnicas do material. Por exemplo: bolhas e porosidades em lingotes fundidos podem ser

eliminados atravs de conformao mecnica a quente, melhorando a ductilidade e a

tenacidade. A dureza do produto pode ser controlada alternando etapas de conformao a frio

e recozimento.

Assim, a disciplina de Processos de Fabricao inicia com um estudo de ensaios

mecnicos para compreender as propriedades mecnicas dos materiais para correlacionar com

os processos de fabricao nas reas de metal-mecnica, plsticos e cermicos, seguido de

ajustagem, que pode ser considerado como etapas de usinagem e, posteriormente as duas

grandes reas de processos de fabricao, finalizando com processamento de polmeros e de

cermicos.

82 - ENSAIOS MECNICOS

2.1 - INTRODUO

A nova tendncia de matrias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricao

determinaram criao de mtodos padronizados de produo, e ao mesmo tempo,

desenvolveram-se processos e mtodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que

o controle de qualidade precisa comear pela matria-prima e deve ocorrer durante todo o

processo de produo, incluindo a inspeo e os ensaios finais nos produtos acabados.

Todos os materiais tm propriedades distintas. A comear pela Tabela Peridica, onde

cada elemento qumico tem um nmero e massa atmica prpria. O uso correto do material

depende do profundo conhecimento dele e das implicaes tecnolgicas de sua obteno, por

exemplo, metais, semicondutores, cermicos, plsticos, compsitos. Todos esses materiais

podem ser encontrados tanto em um automvel quanto em uma espaonave.

Os materiais acima descrito podem ser agrupados em dois grupos e quatro subgrupos:

Materiais metlicos;

Materiais no-metlicos.

A tabela abaixo mostra este agrupamento.

MATERIAIS

METLICOS NO-METLICOS

Ferrosos No-ferrosos Naturais Sintticos

Aos Alumnio Madeira Vidro

Ferros fundidos Cobre Asbesto Cermica

Zinco Couro Plstico

Magnsio Semicondutor (C, Ge,Si,...)

Semicondutor (GaAs,GaAsP, CdS,...)

Chumbo Borracha Borracha

Tungstnio Compsito

9Alguns dos materiais da tabela acima so duro e frgil, outros so moles e dcteis. Uns

tem elevado ponto de fuso, outros tem baixo e alguns nem apresentam ponto de fuso

definido, ou seja, os materiais apresentam propriedades fsicas e qumicas distintas.

Propriedades fsicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades mecnicas,

trmicas, eltricas, magnticas e ticas;

Propriedades qumicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades de atividade,

difusividade, resistncia a oxidao, resistncia a corroso.

s vezes comum encontrar a propriedade mecnica de um material distinta da

propriedade fsica, conforme o exemplo do polmero abaixo:

Nome: poli (estireno-butadieno-acrilonitrila) - ABS - alto impacto

Composio: (CH2-CH-C6H4)n

Classificao: Polmeros

Aplicaes: Gabinetes e caixas domsticas, caixas de televiso, telefones, batedeiras e

liqidificadores, aspiradores de p, box para chuveiros.

Processos: injeo, usinagem, outros.

Propriedades MecnicasDuctilidade: 0,06 - 0,09Coeficiente de Poisson: 0,38 - 0,42Coeficiente de Atrito: 0,47 - 0,52Dureza: 70 - 140 (MPa)Mdulo de Bulk: 3 - 4,4 (GPa)Mdulo de Cisalhamento: 0,7 - 0.95 (GPa)Mdulo de Elasticidade: 1,8 - 2,7 (GPa)

10

Resistncia ao Impacto: 200 - 400 (J/m, notao Izod)Limite Elstico: 27 - 55 (MPa)Tenacidade a Ruptura: 3 - 4 (MPa.m1/2)Tenso de Escoamento:Tenso de Compresso: 60 - 100 (MPa)Tenso de ruptura por trao: 36 - 48 (MPa)Propriedades TrmicasCalor Especfico: 1.500 - 1.530 (J/kg.K)Calor latente de Fuso: No se aplicaDilatao Trmica: 70 - 95 (10-6/K)Condutividade Trmica: 0,14 - 0,22 (W/m.K)Ponto de Fuso: No se aplicaTemperatura de Transio Vtrea: 370 - 375 (K)Temperatura Mxima de Servio: 340 - 350 (K)Temperatura Mnima de Servio: 150 - 200 (K)Propriedades FsicasAbsoro de gua: 0,3 - 0,32 (%)Densidade: 1,02 - 1,1 (Mg/m3)ndice de Refrao:Flamabilidade: regularPropriedades EltricasConstante Dieltrica: 2,4 - 2,9Resistividade: 6,31 - 15,8 (1013 ohm.m)

2.2 - DEFINIO

2.2.1 - PROPRIEDADES MECNICAS

As propriedades mecnicas aparecem quando o material est sujeito a esforos de natureza

mecnica, isto , propriedades que determinam a maior ou menor capacidade de resistir ou

transmitir esforos que lhe so aplicados. Essa capacidade necessria durante o processo de

fabricao, como tambm durante a sua utilizao. Em termos de indstria mecnica, a

propriedade mecnica considerada uma das mais importante para a escolha da matria-

prima. As propriedades mecnicas as que se tem maior interesse so: resistncia a trao e

compresso, dureza, ductilidade, fragilidade, elasticidade, plasticidade, tenacidade,

maleabilidade.

11

Resistncia trao e compresso: a resistncia que o material oferece a esforos de

trao ou de compresso at a sua ruptura. Esta resistncia medida atravs de ensaios de

trao ou de compresso na mquina universal de ensaio;

Dureza: a resistncia que o material oferece penetrao, deformao plstica

permanente e, ou ao desgaste. Esta propriedade tem definies metalrgicas, mineralgicas e

mecnicas. Esta resistncia medida atravs de ensaios de dureza;

a) b)

FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaio universal; b)

Durmetro.

Ductilidade: a capacidade que um material tem de se deformar sem rompimento, quando

for submetido a presso esttica;

Fragilidade: a capacidade que um material apresenta de romper-se quando for submetido a

impacto. Em geral, os materiais duros so tambm frgeis;

Elasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um

esforo, e recuperar sua forma original, quando for cessado o esforo que o deformou;

Plasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um

esforo, e manter-se deformado aps cessado o esforo que o deformou;

12

Tenacidade: a capacidade que um material tem de absorver energia at a sua ruptura,

quando o mesmo for submetido esforos estticos ou dinmicos. Os materiais dcteis

apresentam maior tenacidade que os materiais frgeis. O ferro fundido e o vidro so dois

materiais frgeis, entretanto, os ferros fundidos apresentam maior tenacidade que os vidros;

Maleabilidade: a capacidade que um material tem de se transformar em lminas quando

submetidos a esforos estticos.

Os ensaios mecnicos dos materiais so procedimentos padronizados mediante normas

tcnicas que compreendem testes, clculos, grficos para a determinao de propriedades

mecnicas. As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios vem das

seguintes instituies: ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas); ASTM (American

Society for Testing and Materials); DIN (Deuches Institut fr Normung); AFNOR

(Association Franaise de Normalisation); BSI (British Standards Institution); ASME

(American Society of Mechanical Engineer); ISO (International Organization for

Standardization); JIS (Japanese Industrial Standards); SAE (Society of Automotive

Engineers). Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto j fabricado ou um material

que vai ser processado industrialmente a situaes que simulam esforos nas condies reais

de uso, chegando a limites extremos de solicitao. Os ensaios mecnicos padronizados so

realizados em laboratrios equipados adequadamente para levantamento de dados, entretanto,

alguns ensaios no padronizados para uma anlise prvia, pode ser feita em oficina como o

ensaio por lima (verificao de dureza por meio do corte de cavaco) e o ensaio em esmeril

(verificao do teor de carbono em um ao atravs da anlise da centelha).

2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECNICOS

Existem vrios critrios para classificar os ensaios mecnicos. A classificao mais

utilizada a que separa em dois grupos:

ensaios destrutivos: so aqueles que ocorrem mediante a destruio do corpo de prova ou

pea ou que deixam algum sinal, mesmo que estes no fiquem inutilizados. Estes ensaios so:

Trao, Compresso, Cisalhamento, Dobramento, Flexo, Embutimento, Toro, Dureza,

Fluncia, Fadiga, Impacto.

13

ensaios no destrutivos: so aqueles que aps sua realizao no deixam nenhuma marca ou

sinal e, por conseqncia, nunca inutilizam a pea ou corpo de prova. Por esta razo, podem

ser usados para detectar falhas em produtos acabados ou semi-acabados. Estes ensaios so:

Lquido Penetrante, Partculas Magnticas, Ultra-som e Radiografia Industrial.

2.3.1 - ENSAIO DE TRAO

O ensaio de trao consiste em submeter uma pea ou corpo de prova a um esforo que

tende along-lo at a ruptura, desta forma, possvel conhecer como os materiais reagem aos

esforos ou cargas de trao, que so lidos na prpria mquina de ensaio ou atravs de um

computador acoplado que registra as cargas e as deformaes ocorridas, e quais os limites de

trao que suportam. Atravs deste ensaio, pode-se determinar a tenacidade de um material.

Pode-se afirmar que uma pea est submetida a esforos de trao, quando uma

carga normal F ( tem a direo do eixo da pea), atuar sobre a rea de seco transversal da

pea. Quando a carga atuar no sentido dirigido para o exterior da pea, a pea est

tracionada.

A

F F

FIGURA 2.2 - Pea tracionada.

s =FA

F

FIGURA 2.3 - Tenso de trao.

Como exemplo de peas tracionadas, tem-se as correias, os parafusos, os cabos de ao,

correntes. Esta tenso tambm denominada de tenso normal de trao. A carga normal F,

que atua na pea, origina nesta, uma tenso normal s (sigma), que determinada atravs da

relao entre a intensidade da carga aplicada F, e a rea de seo transversal da pea A.

14

onde:

ss - tenso normal [ N/mm2; MPa; ...]

F - fora normal ou axial [N; kN; ...]

A - rea da seco transversal da pea [m2; mm2; ...]

No Sistema Internacional, a fora expressa em Newtons (N), a rea em metros

quadrados (m2). A tenso (s) ser expressa, ento, em N/m2, unidade que denominada

Pascal (Pa). Na prtica, o Pascal torna-se uma medida muito pequena para tenso, ento usa-

se mltiplos desta unidade, que so o quilopascal (kPa), megapascal (MPa) e o gigapascal

(GPa).

1 Pa 1 N/m2

1 MPa 1 N/mm2

1 GPa 1 KN/mm2

1 GPa 103 MPa

1 MPa 0,102 kgf/mm2

A aplicao de uma fora axial de trao em um corpo de prova, produz uma

deformao neste corpo, embora muitas vezes no perceptvel a olho. Esta deformao

seguida de um aumento no seu comprimento com diminuio da rea da seco transversal,

conforme ilustra a figura abaixo. Antes do ensaio so medidas a rea de seo transversal

A0 do CP e a distncia L0 entre dois pontos marcados neste.

Lo

A0

a)

AfFF

Lf

b)

FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps o ensaio.

15

No ensaio de trao, o CP submetido a um carga normal F. A medida que este

carregamento aumenta, pode-se medir o aumento na distncia entre os pontos marcados, o

alongamento, e a reduo da rea na seco transversal, a estrico, at a ruptura do material.

O alongamento, cuja expresso matemtica D = -L Lf 0, geralmente confundido com a

deformao. A deformao longitudinal de um material, definida como: e =-L LL

f 0

0

.

onde:

e - deformao [mm/mm; mm/m; % ]

Lo - comprimento inicial do CP [mm, cm, ...]

Lf - comprimento final do CP [mm, cm, ...]

Embora a deformao uma razo do alongamento com o comprimento inicial, sendo

portanto adimensional, muito comum entre tcnicos a unidade mm/m pois d uma idia

rpida do alongamento de um corpo com 1 metro de comprimento.

H dois tipos de deformao que ocorrem quando um material submetido a um

esforo: a elstica e a plstica. A deformao elstica no permanente. Uma vez cessados os

esforos, o material volta a sua forma original. Esta afirmao tem carter macroscpico, visto

que ocorrem discordncias irreversveis aps a aplicao de uma carga.; A deformao

plstica permanente. Cessado os esforos, o material no volta a sua forma original.

2.3.1.1 - Diagrama tenso - deformao

Durante o ensaio de trao, as mquinas de ensaio realizam a relao F x D (fora x

alongamento) na qual ocorre variao da carga aplicada e conseqentemente o alongamento

(Lf - L0) do corpo de prova e se considerar que a rea da seo transversal invarivel, pode-

se fazer a razo da fora pela rea da seco transversal inicial (F

A0) e do alongamento pelo

comprimento inicial (L L

Lf 0

0

-), resultando o diagrama tenso - deformao (ss x ee). A0

rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...]

16

O diagrama tenso - deformao varia muito de material para material, e ainda, para

uma mesmo material podem ocorrer resultados diferentes devido a variao de temperatura do

corpo de prova e da velocidade da carga aplicada, e principalmente pela anisotropia. Entre os

diagramas s x e de vrios grupos de materiais possvel, no entanto, distinguir algumas

caractersticas comuns; elas nos levam a dividir os materiais em duas importantes categorias,

que so os materiais dteis e os materiais frgeis.

FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais atravs do diagrama ssx ee.

Os materiais dcteis, como o ao, alumnio, cobre, bronze, lato, nquel e outros, so

caracterizados por apresentarem escoamento temperaturas normais. O corpo de prova

submetido a carregamento crescente, e com isso seu comprimento aumenta, de incio lenta e

proporcionalmente ao carregamento. Desse modo, a parte inicial do diagrama uma linha reta

com grande coeficiente angular. Entretanto, quando atingido um valor crtico de tenso

(tenso de escoamento - sE ), o corpo de prova sofre uma grande deformao com pouco

aumento da carga aplicada. Quando o carregamento atinge um certo valor mximo, o dimetro

do CP comea a diminuir, devido a perda de resistncia local. A esse fenmeno dado o

nome de estrico:

Y =-

A A

Af 0

0

100

onde:

y - estrico [%]

A0 - rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...]

Af - rea da seco transversal final [mm2, cm2, ...]

17

Aps ter comeado a estrico, um carregamento mais baixo o suficiente para a

deformao do corpo de prova, at a sua ruptura. A tenso ssE correspondente ao incio do

escoamento chamada de tenso de escoamento do material; a tenso ssR correspondente a

carga mxima aplicada ao material conhecida como tenso de resistncia, e a tenso ssr

correspondente ao ponto de ruptura chamada tenso de ruptuta.

a) b)

FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura.

Materiais frgeis, como ferro fundido, vidro e pedra, so caracterizados por uma

ruptura que ocorre sem nenhuma mudana sensvel no modo de deformao do material.

Ento para os materiais frgeis no existe diferena entre tenso de resistncia e tenso de

ruptura. Alm disso, a deformao at a ruptura muito menor nos materiais frgeis do que

nos materiais dcteis. No h estrico nos materiais frgeis e a ruptura se d em uma

superfcie perpendicular ao carregamento.

18

a) b)

FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura.

2.3.1.2 - Propriedades mecnicas avaliadas

A figura abaixo, que representa um diagrama tenso - deformao de um material com

incluses no-metlicas (Fe3C, AlSi, ...) em aos e algumas ligas de alumnio, mostra algumas

propriedades significantes que so:

FIGURA 2.8 - diagrama ss x ee para ligas do tipo ao baixo carbono.

ssp - Tenso Limite de Proporcionalidade: Representa o valor mximo da tenso, abaixo do

qual o material obedece a lei de Hooke.

ssE - Tenso Limite de Escoamento: A partir deste ponto aumentam as deformaes sem que

se altere, praticamente, o valor da tenso. Quando se atinge o limite de escoamento, diz-se que

o material passa a escoar-se.

19

ssR - Tenso Limite de Resistncia: A tenso correspondente a este ponto recebe o nome de

limite de resistncia ou resistncia a trao, pois corresponde a mxima tenso atingida no

ensaio de trao.

ssr - Tenso de Ruptura: A tenso correspondente a este ponto recebe o nome de limite de

ruptura; a que corresponde a ruptura do corpo de prova.

Regio Elstica: O trecho da curva tenso - deformao, compreendido entre a origem e o

limite de proporcionalidade, recebe o nome de regio elstica.

Regio Plstica: Chama-se regio plstica o trecho compreendido entre o limite de

proporcionalidade e o ponto correspondente a ruptura do material.

A tenacidade e o mdulo de elasticidade longitudinal, geralmente representada pela

letra E, so duas outras propriedades mecnicas que podem ser tiradas deste diagrama

atravs de clculos. A tenacidade pode ser determinada atravs da rea da curva de tenso -

deformao com a abcissa (deformao), enquanto que o mdulo de elasticidade longitudinal

determinado atravs de: E tg= a . O mdulo de elasticidade longitudinal s vlido para a

regio que obedece a Lei de Hooke, ou seja, no regime elstico.

Lei de Hooke

No trecho inicial do diagrama da figura acima, a tenso s diretamente proporcional

deformao e e pode-se escrever: E =se

. Essa relao conhecida como Lei de Hooke, e

se deve ao matemtico ingls Robert Hooke (1.635-1.703). O coeficiente E chamado

mdulo de elasticidade longitudinal, ou mdulo de Young (cientista ingls, 1.773-1.829), que

determinado pela fora de atrao entre tomos dos materiais, isto , quando maior a atrao

entre tomos, maior o seu mdulo de elasticidade. Exemplos: Eao = 2,1 x 104 kgf/mm2,

Ealumnio = 0,7 x 104 kgf/mm2, etc. Esta propriedade tambm anisotrpica, pois depende do

material ser monocristalino, direo de crescimento do cristal, material, e no caso de

policristalino, a orientao e tamanho dos cristais (gros). A tabela abaixo mostra o mdulo de

elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia.

20

Metal Mdulo deElasticidadeLongitudinal(kgf/mm2)

Liga Mdulo deElasticidadeLongitudinal(kgf/mm2)

Ferro, nquel, cobalto 21.000 Aos-carbono e aos-liga

21.000

Molibdnio,tungstnio

35.000 Aos inoxidveisaustenticos

19.600

Cobre 11.900 Ferro FundidoNodular

14.000

Alumnio 7.000 Bronzes e lates 7.700 - 11.900

Magnsio 4.550 Bronzes de manganse ao silcio

10.500

Zinco 9.800 Bronzes de alumnio 8.400 - 13.300

Zircnio 10.150 Ligas de alumnio 7.000 - 7.450

Estanho 4.200 Monel 13.000 - 18.200

Berlio 25.700 Hastelloy 18.900 - 21.500

smio 56.000 Invar (nquel-ferro) 14.000

Titnio 10.000 Inconel 16.000

Chumbo 1.750 Illium 18.700

Rdio 29.750 Ligas de titnio 11.200 - 12.100

Nibio 10.500 Ligas de magnsio 4.550

Ouro, prata 7.850 Ligas de estanho 5.100 - 5.400

Platina 18.800 Ligas de chumbo 1.400 - 2.950

Sendo E =se

e s e= E e tambm que s =FA

e e =-L LL

f 0

0

, pode-se tirar a

seguinte expresso para clculos de alongamento no regime elstico: D =

F LA

0

0 E. O

alongamento ser positivo, quando a carga aplicada tracionar a pea, e ser negativo quando a

carga aplicada comprimir a pea.

+DL0

Lf

-D

L0

Lf

Pea tracionada Pea comprimida

FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso.

21

A lei de Hooke, em toda a sua amplitude, abrange tambm a deformao transversal

que, em caso de CP cilndrico, dado por: e t =-D DD

f 0

0

, onde D a medida nominal do

dimetro do corpo de prova submetida a ao de carga normal. O coeficiente de Poisson (nn)

determinado pela relao nee

=t

. Observe que o coeficiente de poisson ter um valor negativo

tanto para a trao quanto para a compresso em virtude dos sinais contrrios da deformao

longitudinal e deformao transversal.

A curva de tenso - deformao descrita acima chamada de curva de engenharia,

onde pode-se tirar valores apropriados at o momento em que se atinge a carga mxima.

Tendo em vista que a rea da seco transversal diminui medida que amplia-se a carga no

corpo de prova, e que a partir do momento que se atinge a carga mxima, comea ocorrer

fratura no sentido de dentro para fora, a rea da seco transversal comea a reduzir-se de

forma brusca. Como a tenso a razo entre fora e rea da seco transversal, ocorre na

realidade um aumento de tenso que obedece uma funo logartima. A figura abaixo

representa esta considerao da determinao da curva real de tenso.

e

s Curva real

Curva de engenharia

FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia.

A tenso real, sreal , definida por: s real =FA

, onde F e A so as foras e reas da

seco transversal em cada instante. Da mesma forma, pode-se definir a deformao

longitudinal real a cada instante dado por: e real LL d

= =

LL

LL0 00

ln . Supondo que a deformao

22

ao longo do corpo de prova seja uniforme e admitindo-se volume constante pode-se

demonstrar que: ( )e ereal = ln1+ ; ( )s s ereal = +1 .

2.3.1.3 - Corpos de prova

O ensaio de trao feito em corpos de prova com caractersticas especificadas de

acordo com normas tcnicas. Geralmente utilizam-se corpos de prova de seo circular ou de

seo retangular. Estas condies dependem dos acessrios da mquina de ensaio de trao e

tambm dependem da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como

mostram as figuras a seguir.

FIGURA 2.11 - Mquina de ensaio e registrador.

23

FIGURA 2.12 - Corpos de prova.

A parte til do corpo de prova, identificada no desenho anterior por L0, a regio onde

so feitas as medidas das propriedades mecnicas do material. As cabeas so as regies

extremas, que servem para fixar o corpo de prova mquina de modo que a fora de trao

atuante seja axial. Devem ter seo maior do que a parte til para que a ruptura do corpo de

prova no ocorra nelas. Suas dimenses e formas dependem do tipo de fixao mquina. Os

tipos de fixao mais comuns so: cunha, rosca, flange.

FIGURA 2.13 - Tipos de fixao.

Entre as cabeas e a parte til h um raio de concordncia para evitar que a ruptura

ocorra fora da parte til do corpo de prova. O comprimento da parte til dos corpos de prova

utilizados nos ensaios de trao deve corresponder a 5 vezes o dimetro da seo da parte til.

Sempre que possvel um corpo de prova deve ter 10 mm de dimetro e 50 mm de

comprimento inicial. No sendo possvel a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se

24

adotar um corpo com dimenses proporcionais a essas medidas. Corpos de prova com seo

retangular so geralmente retirados de placas, chapas ou lminas. Suas dimenses e

tolerncias de usinagem so normalizadas pela ISO/ R377 enquanto no existir norma

brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR - 6152, dez./1980) somente indica que os

corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfcie e ausncia de trincas.

Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou

no sentido longitudinal da solda, figura abaixo. Os ensaios dos corpos de prova soldados

normalmente determinam apenas o limite de resistncia trao. Ao efetuar o ensaio de trao

de um corpo de prova com solda, tensiona-se simultaneamente dois materiais de propriedades

diferentes (metal de base e metal de solda). Os valores obtidos no ensaio no representam as

propriedades nem de um nem de outro material, pois umas so afetadas pelas outras. O limite

de resistncia trao tambm afetado por esta interao, mas determinado mesmo assim

para finalidades prticas.

Para preparar o corpo de prova para o ensaio de trao deve-se medir o dimetro do

corpo de prova em vrios pontos na parte til, utilizando um micrmetro, e calcular a mdia.

Por fim, deve-se traar as divises no comprimento til. Em um corpo de prova de 50 mm de

comprimento, as marcaes devem ser feitas de 5 em 5 mm.

FIGURA 2.14 - Preparao de corpo de prova.

25

Aps o ensaio, junta-se da melhor forma possvel, as duas partes do corpo de prova.

Procura-se o risco mais prximo da ruptura e conta-se a metade das divises (n/2) para cada

lado. Mede-se ento o comprimento final, que corresponde distncia entre os dois externos

dessa contagem. Este o mtodo para determinar o comprimento final quando a ruptura

ocorre no centro da parte til do corpo de prova.

FIGURA 2.15 - Ruptura do corpo de prova no centro.

Quando a ruptura ocorre fora do centro, de modo a no permitir a contagem de n/2

divises de cada lado, deve-se adotar o seguinte procedimento normalizado:

Toma-se o risco mais prximo da ruptura.

Conta-se n/2 divises de um dos lados.

Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas divises forem necessrias para

completar as n/2 divises.

A medida de Lf ser a somatria de L+ L, conforme mostra a figura a seguir.

FIGURA 2.16 - Ruptura do corpo de prova fora de centro.

26

2.3.1.4 - Limite de escoamento: valores convencionais

O limite de escoamento , em algumas situaes, alternativo ao limite elstico, pois

tambm delimita o incio da deformao permanente (um pouco acima). Ele obtido

verificando-se a parada do ponteiro na escala da fora durante o ensaio e o patamar formado

no grfico exibido pela mquina. Com esse dado possvel calcular o limite de escoamento

do material. Entretanto, vrios metais no apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que

ocorre ele no pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rpido e no

possvel detect-lo. Por essas razes, foram convencionados alguns valores para determinar

este limite. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores

de uso mais freqente so:

n = 0,2%, para metais e ligas metlicas em geral;

n = 0,1%, para aos ou ligas no ferrosas mais duras;

n = 0,01%. para aos-mola e ferros fundidos.

Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo

traado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tenso-deformao, a partir do ponto

n. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estar determinado, como

mostra a figura abaixo.

FIGURA 2.17 - Determinao do Limite de Escoamento.

27

2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSO

O ensaio de compresso consiste em submeter uma pea ou corpo de prova a um

esforo que tende a encurt-lo at a ruptura, desta forma, possvel conhecer como os

materiais reagem aos esforos ou cargas de compresso. O ensaio de compresso o mais

indicado para avaliar essas caractersticas, principalmente quando se trata de materiais frgeis,

como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. tambm recomendado para produtos

acabados, como molas e tubos.

F

A

F

Fs =

FA

FIGURA 2.18 - Esquema da compresso.

No se costuma utilizar ensaios de compresso para os metais, em virtude que a

resistncia compresso aproximadamente igual a da trao. Nos ensaios de compresso, os

corpos de prova so submetidos a uma fora axial para dentro, distribuda de modo uniforme

em toda a seo transversal do corpo de prova. Do mesmo modo que o ensaio de trao, o

ensaio de compresso pode ser executado na mquina universal de ensaios, com a adaptao

de duas placas lisas uma fixa e outra mvel. E entre elas que o corpo de prova apoiado e

mantido firme durante a compresso. As relaes matemticas para a trao valem tambm

para a compresso, isso significa que um corpo submetido a compresso tambm sofre uma

deformao elstica seguido de uma deformao plstica. Nos ensaios de compresso, a lei de

Hooke tambm vale para a fase elstica da deformao, e possvel determinar o mdulo de

elasticidade para diferentes materiais.

28

2.3.2.1 - Limitaes do ensaio de compresso

O ensaio de compresso no muito utilizado para os metais em razo das

dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numricos

so de difcil verificao, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio

de compresso o atrito entre o corpo de prova e as placas da mquina de ensaio.

a) b)

FIGURA 2.19 - Ensaio de compresso. a) normal; b) flambagem.

A deformao lateral do corpo de prova barrada pelo atrito entre as superfcies do

corpo de prova e da mquina. Para diminuir esse problema, necessrio revestir as faces

superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc).

Outro problema a possvel ocorrncia de flambagem, isto , encurvamento do corpo de

prova. Isso decorre da instabilidade na compresso do metal dctil. Dependendo das formas

de fixao do corpo de prova, h diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a

figura acima.

A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em

relao ao dimetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material,

necessrio limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor

de seu dimetro. Em alguns materiais muito dcteis esta relao pode chegar a 1:1 (um por

um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem o de garantir o perfeito

paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compresso. Deve-se

29

centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforo de compresso

se distribua uniformemente.

2.3.2.2 - Ensaio de compresso em materiais dcteis

Nos materiais dcteis a compresso vai provocando uma deformao lateral

aprecivel. Essa deformao lateral prossegue com o ensaio at o corpo de prova se

transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. Em virtude disto que o ensaio de

compresso de materiais dcteis fornece apenas as propriedades mecnicas referentes zona

elstica. As propriedades mecnicas mais avaliadas por meio do ensaio so: limite de

proporcionalidade, limite de escoamento e mdulo de elasticidade.

FIGURA 2.20 - Ensaio de compresso em materiais dcteis.

2.3.2.3 - Ensaio de compresso diametral

Para materiais com elevado mdulo de elasticidade, que o caso de muitos materiais

metlicos e cermicos, a teoria mais conhecida a teoria das tenses de Hertz ou tenses de

contato, amplamente utilizada no dimensionamento de elementos de mquinas, onde temos

situaes estabelecendo superfcies planas e curvas em contato, pressionadas umas contra

outras, resultando um estado triaxial de tenses. Quando isto ocorre, o ponto ou linha de

contato passa a ser efetivamente a rea de contato, desenvolvendo-se nestas regies tenses

tridimensionais, como, por exemplo, tenses de contato entre uma roda e um trilho, ou entre

duas rodas dentadas. A figura abaixo mostra o esquema do mtodo do Ensaio de Compresso

Diametral que baseado nas normas brasileiras ABNT MB-212/58 e NBR-7222/83.

30

P P

PP

LD

FIGURA 2.21 - Esquema de esforos aplicados em um corpo de prova cilndrico de

dimenses D e L.

A medida da fora de ruptura nos permite determinar a tenso limite de resistncia

trao simples, ou seja, a tenso de trao de ruptura, de acordo com a equao: sp

=

2 PD L

,

onde: s a tenso limite de resistncia trao simples [MPa], P a carga de ruptura [N], D

o dimetro [mm] do corpo de prova e L [mm] a espessura do corpo de prova.

As distribuies de tenses esto representadas na figura abaixo.

P

P

FIGURA 2.22 - Representao esquemtica da distribuio das tenses de compresso e

de trao.

Ensaios de achatamento de tubos Consiste em colocar uma amostra de um segmento de

tubo deitada entre as placas da mquina de compresso e aplicar carga at achatar a amostra.

O ensaio aplicado o de compresso diametral. A distncia final entre as placas, que varia

conforme a dimenso do tubo, deve ser registrada. O resultado avaliado pelo aparecimento

ou no de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio

31

permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordo de solda do

mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dctil ser o material.

Ensaios em molas Para determinar a constante elstica de uma mola, ou para verificar sua

resistncia, faz-se o ensaio de compresso. Para determinar a constante da mola, constri-se

um grfico tenso-deformao, obtendo-se um coeficiente angular que a constante da mola,

ou seja, o mdulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistncia da mola,

aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola aps cada carga.

FIGURA 2.23 - Ensaios em molas.

Exerccios resolvidos

1) Um ao de baixo carbono (SAE 1010) tem como tenso de ruptura 40 Kgf/mm2.Considerando que o corpo de prova tem dimetro nominal de 10 mm, qual ser a fora deruptura?

a) Dados:

sr = 40 Kgf/mm2

D = 10 mm

Fr = ?

b) Frmulas:

s =FA

AD

=p 2

4

c) Soluo:

[ ]A

D= =

=

p p2 2

4 4785

10 mm mm2,

s s= = FA

F A

F A= = s 40Kgfmm

78,5 mm22

F = 3.140 Kgf

32

2) Considerando que um corpo de prova de ao SAE 1070 tem um dimetro nominal de 15mm e a fora com que o material se rompeu foi de 16.570 Kgf. Qual a tenso de traode ruptura (em MPa) que este ao apresenta?

a) Dados:

sr = ?

D = 15 mm

Fr = 7.800 Kgf

b) Frmulas:

s =FA

AD

=p 2

4

c) Soluo:

[ ]A

D= =

=

p p2 2

4 4176625

15 mm mm2,

s = = =FA

16570 Kgf176,625 mm

93 Kgfmm2 2

,8

s = =93 Kgfmm

920,3 MPa2,8

3) Calcule a deformao sofrida por um corpo de prova de 15 cm de comprimento e que apso ensaio de trao apresentou 16 cm de comprimento.

a) Dados:

lo = 15 cm

lf = 16 cm

e = ?

b) Frmulas:

e =-l l

l

f o

o

c) Soluo:

e =-l l

l

f o

o

e =-

=-

= -l l

l

f o

o

16 1515

667102,

4) Uma liga de alumnio possui um Mdulo de Elasticidade Longitudinal de 7.040 Kgf/mm2

e um limite de escoamento de 28 Kgf/mm2. Pede-se:

Qual a carga que pode ser suportado por um fio de 1,74 mm de dimetro sem que ocorradeformao permanente?

33

a) Dados:

se = 28 Kgf/mm2

D = 1,74 mm

Fe = 7.800 Kgf

b) Frmulas:

s =FA

AD

=p 2

4

c) Soluo:

( )A

D=

=

=

p p22

4 41,74 mm

2,377 mm2

s s= = = FA

F A 28Kgfmm

2,377 mm22

F A= =s 66,54 Kgf

Se uma carga de 44 kgf suportada por um fio de 3,05 mm de dimetro, qual ser adeformao?

a) Dados:

E = 7.040 Kgf/mm2

e = ?

s = ?

F = 44 Kgf

D = 3,05 mm

b) Frmulas:

E =se

AD

=p 2

4

s =FA

s e= E

c) Soluo:

34

( )A

D= =

=

p p22

4 43,05 mm

7,30 mm2

s = = =FA

44 Kgf7,30 mm

6,02 Kgfmm2 2

EE

= =se

es

es

= = = -E

6,02 Kgfmm

7.040 Kgfmm

2

2

855104,

Exerccios propostos

1) Explique o comportamento de materiais dteis e frgeis utilizando diagrama s x e.2) Mostre esquematicamente os estgios na formao taa-cone e explique resumidamente.3) Por que se deve garantir o paralelismo entre as placas da mquina de ensaio e limitar o

comprimento dos corpos de prova nos ensaios de compresso?4) O que tenacidade?

5) Por qu se faz ensaios de materiais?

6) Cite 4 tipos de ensaios destrutivos!

7) O que Mdulo de Elasticidade Longitudinal?8) O Que limite de escoamento?9) O que deformao plstica?

10) Como se mede a tenacidade em um diagrama s x e?11) O que flambagem?12) Um ao de mdio carbono que apresenta o Mdulo de Elasticidade Longitudinal de

21.000 Kgf/mm2 e Tenso de escoamento de 31,5 Kgf/mm2, qual a mximadeformao que o material pode apresentar obedecendo o regime elstico?

Resposta: e = 0,15%13) Qual a tenso limite de resistncia compresso de um material que tem 400 mm2 de

rea da seo transversal e se rompeu com uma carga de 760 KN?

Resposta: s = 1.900MPa

14) Uma barra de alumnio de possui uma seco transversal quadrada com 60 mm de lado, oseu comprimento de 0,8m. A carga axial aplicada na barra de 30 kN. Determine o seualongamento. Eal = 0,7x10

5 MPa.

Resposta: D = 0,095mm

35

2.3.3 - ENSAIO DE FLEXO

O ensaio de flexo geralmente feito de modo a reproduzir, no laboratrio, as

condies da prtica. Desse modo, possvel criar vrias maneiras de se efetuar esse ensaio,

desde que a pea possa ser adaptada diretamente em uma mquina comum. Muitas vezes, so

feitos ensaios de flexo em produtos contendo partes soldadas ou unidas por qualquer tipo de

juno, e a carga aplicada prximo extremidade de uma das partes at que haja inicio de

ruptura na juno, ficando a outra extremidade presa por meio de dispositivos; assim, pode-se

verificar at que esforo de flexo a pea pode sofrer sem se romper. Materiais frgeis como

ferro fundido cinzento, aos-ferramenta ou carbonetos sinterizados so frequentemente

submetidos a um tipo de ensaio de dobramento, denominado dobramento transversal, que

mede sua resistncia e ductilidade (alm da possibilidade de se avaliar tambm a tenacidade e

resilincia desses materiais). Entretanto, sempre que possvel, o ensaio de trao tambm deve

ser realizado, ficando o dobramento transversal como uma espcie de ensaio substituto.

Quanto mais duro for o material, maior aplicao ter esse ensaio, porque a facilidade de

execuo torna-o mais rpido que a usinagem de um corpo de prova para ensaio de trao. No

entanto, para materiais muito frgeis, os resultados obtidos so muito divergentes, variando

at 25% de modo que, para esses casos, deve-se fazer sempre vrios ensaios para se

estabelecer um valor mdio.

2.3.3.1 - Significado de flexo

Flexo a solicitao que tende a modificar a direo do eixo geomtrico de uma pea.

A flexo de uma barra pode ser obtida nas seguintes condies:

a barra pode ter suas duas extremidades engastadas;

as duas apoiadas;

uma engastada e outra apoiada;

em balano;

36

Por outro lado, a carga defletora pode ser:

concentrada ou distribuda;

estar aplicada numa das extremidades;

no meio ou em um ponto qualquer.

Alm disso, a barra pode ser vertical ou horizontal. Os casos mais simples so:

flexo plana circular;

flexo plana normal.

Quando se tem uma barra de seco retangular de comprimento L, altura a, e

largura b da seco normal, e no centro est aplicado uma fora cortante F, conforme

indica a figura abaixo. Os elementos internos da barra estaro sujeitos a um sistema de tenses

de compresso e trao, mas h um plano em que no h tenso, ou seja, tenso resultante

zero. Este plano geralmente denominado de linha neutra.

F

F FFFFF Ff

FIGURA 2.24 - Flexo em uma barra de seco retangular.

37

FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo.

A tenso fletora dada pela expresso matemtica s = M c

If

, onde: s a tenso

fletora (tenso normal de compresso ou de trao); Mf o momento fletor; I o momento de

inrcia da seco transversal; c a distncia da linha neutra a fibra mais afastada. O sinal

positivo e negativo corresponde as tenses de trao e de compresso respectivamente.

Na linha neutra, vista sob um plano, a tenso resultante zero.

No caso de flexo pura, como o caso descrito acima, a linha neutra torna a forma de

um arco de circunferncia em circular plana, onde cada seco infinitesimal da barra est em

equilbrio sob a ao de momentos fletores iguais e opostos, de mdulo Mf. a flecha f do

arco de circunferncia (deflexo da barra) dada pela expresso matemtica: fE I

=

148

F L,

onde E o mdulo de elasticidade longitudinal ou mdulo de Young, I o mdulo de

flexo plana ou momento de inrcia, que cada perfil tem seu valor prprio. Quanto maior for o

momento de inrcia da seco retangular menor ser a flexo, para um dado material e um

determinado momento fletor. Isto significa que a posio da viga tem grande influncia na

resistncia a flexo. A figura abaixo mostra o caso da flexo plana normal produzida por uma

fora F aplicada na extremidade livre de uma barra de balano, com uma extremidade

engastada.

38

FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma fora Faplicada em sua extremidade.

Neste caso, no se tem uma flexo pura, mas uma combinao de flexo e

cisalhamento, devido reao do engaste rgido que, no equilbrio, equivale a uma fora F,

igual e oposta a F, mais um momento binrio oposto ao gerado pelo par FF. Existe ainda um

caso de flexo, a flanbagem, muito freqente e importante no clculo de estruturas metlicas e

concreto armado, que aquele provocado por uma carga vertical aplicada numa barra vertical,

quando esta foge levemente de sua posio axial. O equilbrio, que inicialmente era

conseguido por compresso axial da barra, se rompe quando o esforo aplicado foge

ligeiramente da rea da seco retangular, produzindo uma flexo crescente e quase que

incontrolvel.

Em primeira deformao e dentro de um campo limitado de deformaes, os corpos

slidos reais obedecem lei de Hooke. As deformaes perfeitamente elsticas em geral s

ocorrem no incio do processo. Com o tempo, o esforo e a deformao atingem valores

assintticos, podendo haver a ruptura do material, a fadiga do mesmo, ou a variao da sua

tenso elstica, em que, aps a aplicao sucessiva de esforos de trao ou compresso,

permanece uma deformao residual; o efeito de esfoliao ou clivagem em placas em

determinadas direes e em certos materiais cristalinos, como, por exemplo, a calcita e a

mica. No dimensionamento das peas flexo admitem-se apenas deformaes elsticas. A

tenso de trabalho fixada pelo fator de segurana ou pela tenso admissvel. A frmula da

tenso aplicada nas seces onde pode haver ruptura do material, ou seja , nas regies que se

tem momento fletor mximo que produzir tenses de compresso e de trao mximas, a

qual poder ser superior a tenso de resistncia do material. O momento de inrcia de uma

39

seco retangular segundo um sistema de eixo carteziano YZ :I y =a b3

12 (em relao ao

eixo Y) e I z =b a3

12 (em relao ao eixo Z). Para uma seco circular, o momento de inrcia

em relao ao eixoY ou Z : I =p D4

64, onde D o dimetro da seco circular.

2.3.3.2 - Mtodo do ensaio de flexo

A resistncia flexo definida como a tenso mxima de trao na ruptura e

denominado freqentemente como mdulo de ruptura, MOR , do ingls modulus of

rupture. A resistncia a flexo determinada atravs de frmulas acima descritas e envolve

clculos de resistncia dos materiais para a determinao do momento fletor mximo. H

atualmente dois ensaios empregados: o mtodo de ensaio a trs pontos, e o mtodo de ensaio

de quatro pontos. As figuras abaixo esquematizam estes mtodos.

F

L

Diagrama de momento fletor

Distribuio de cargas

Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR=

32

F Lb a2

b

a

FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos.

40

F

L

Diagrama de momento fletor

Distribuio de cargas

F

dd

Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR=

3

F db a2

b

a

FIGURA 2.28 - Mtodo de flexo a quatro pontos.

O ensaio flexo feito, geralmente, com corpo de prova constitudo por uma barra de

seco circular ou retangular para facilitar os clculos, com um comprimento especificado. O

ensaio consiste em apoiar o corpo de prova sob dois apoios distanciados entre si de uma

distancia L, sendo a carga de dobramento ou de flexo aplicada no centro do corpo de prova

a uma distncia L/2 de cada apoio (mtodo de ensaio a trs pontos). A carga deve ser elevada

lentamente at romper o corpo de prova. Desse ensaio, pode-se tambm retirar outras

propriedades do material, como o mdulo de ruptura MOR ou resistncia ao dobramento,

que o valor mximo da tenso de trao ou compresso nas fibras extremas do corpo de

prova durante o ensaio de flexo (ou toro). Se a ruptura ocorrer dentro da zona elstica do

material, MOR representar, pois, a tenso mxima na fibra externa; caso ocorra na zona

plstica, o valor obtido para MOR maior que a tenso mxima realmente atingida, porque a

expresso determinada para uma distribuio linear (elstica) de tenso entre o eixo da barra

e as fibras externas. O valor do mdulo de ruptura tambm pode ser relacionado com o limite

de resistncia do material.

41

Outra propriedade possvel de ser medida o mdulo de elasticidade do material,

isolando E da equao:fE I

=

148

F L, onde f (deflexo) medida para cada carga F

aplicada, deve ser corrigida tambm em caso de seco circular devido a excentricidade

possvel do dimetro do corpo de prova. Nesse caso, ento, preciso medir a deflexo da

barra, com o acrscimo de carga, com um micrmetro ou outro medidor preciso de

deformao.

2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA

A propriedade mecnica denominada dureza amplamente utilizada na especificao

de materiais, nos estudos e pesquisa mecnicas e metalrgicas e na comparao de diversos

materiais. Entretanto, o conceito de dureza no tm um mesmo significado para todas a

pessoas que tratam com essa propriedade. O conceito divergente da dureza depende da

experincia de cada um ao estudar o assunto. Para um metalurgista, dureza significa a

resistncia deformao plstica permanente; um engenheiro define a dureza como a

resistncia penetrao de uma material duro no outro; para um projetista, a dureza

considerada uma base de medida para o conhecimento da resistncia e do tratamento trmico

ou mecnico de um metal e da sua resistncia ao corte do metal; e para um mineralogista, a

dureza a resistncia ao riscamento que um material pode fazer no outro. Assim, no

possvel encontrar uma definio nica de dureza que englobe todos os conceitos acima

mencionados, mesmo porque para cada um desses sgnificados de dureza, existem um ou mais

tipos de medidas adequados. Sob esse ponto de vista, pode-se dividir o ensaio de dureza em

trs tipos principais, que dependem da maneira com que o ensaio conduzido que so: por

penetrao; por choque e por riscamento. O riscamento raramente usado para os metais,

mas bastante utilizado em cermicos. Com esse tipo de medida de dureza, vrios minerais e

outros materiais so relacionados quanto possibilidade de um riscar o outro. A escala de

dureza mais antiga para esse tipo a escala de Mohs (1.822), que consiste em uma tabela de

10 minerais padres arranjados na ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo

mineral seguinte. Assim, verifica-se que o talco (1) - tem dureza Mohs (isto , pode ser

42

riscado por todos os outros seguintes), seguindo-se a gipsita (2), calcita (3), fluorita (4),

apatita (5), ortoclsio (6), quartzo (7), topzio (8), safira (9) e diamante (10). Desse modo, por

exemplo, o quartzo risca o ortoclsio e riscado pelo topzio. O cobre recozido tem dureza

Mohs 3, pois ele risca a gipsita e riscado pela fluorita; a martensita tem dureza Mohs

aproximadamente igual a 7, e assim por diante.

1 talco Mg3H2Si4O122 gipsita CaSO4 . 2H2O

3 calcita CaCO34 fluorita CaF25 apatita CaF (PO4)36 ortoclsio KAISio47 quartzo Sio28 topzio A12F2SiO29 corinto A12 O310 diamante C

Tabela de escala de dureza Mohs.

Para os metais, essa escala no conveniente, porque os seus intervalos no so

propriamente espaados para ele, principalmente na regio de altas durezas e a maioria dos

metais fica entre as durezas Mohs 4 e 8, sendo que pequenas diferenas de dureza no so

precisamente acusadas por esse mtodo.

Martens (1.890) definiu dureza por risco como a carga em gramas-fora sob a qual um

diamante de ngulo de 90 produziria um risco de 0,01 mm de largura numa material

qualquer. Hanpkins (1.923) alterou o ngulo acima para uma forma em V com ngulo

podendo variar entre 72 e 90 e o modo de medir a dureza, como sendo o quociente entre a

carga menos uma constante que dependeria do ngulo e o quadrado da largura obtida menos

esses valores medidos em gramas-fora e milmetros. Bergsman (1.951) introduziu um outro

tipo de dureza por risco, que mede a profundidade ou mesmo a largura de um risco feito com

uma determinada carga aplicada num diamante sobre um material de dureza desconhecida. A

medida dessa profundidade seria a dureza do material, Um outro tipo semelhante a

43

microdureza Bierbaum por risco feito com um diamante de formato igual a um canto de cubo,

com um ngulo de contato de cerca de 35 e com uma carga igual a 3 gramas-fora na

superfcie polida e atacada de um metal. Mede-se por meio de um microscpio a dureza,

lendo-se a largura do risco, conforme a frmula K = 104 / l, onde K a dureza Bierbaum e l

a largura medida em mcrons.

Esses mtodos seriam teis para a medio da dureza relativa de microconstituintes de

uma liga metlica, mas no so mtodos de medida precisa ou de boa reproduo, sendo mais

usados no ramo da Mineralogia.

Os dois primeiros tipos de dureza (por penetrao e por choque) so mais usados no

ramos da Metalurgia e da Mecnica, sendo que a dureza por penetrao a mais utilizada e

citada nas especificaes tcnicas. Sero vistos com mais detalhes as durezas por penetrao

Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop e Meyer e a dureza por choque Shore (escleroscpica).

2.3.4.1 - Dureza Brinell

A dureza por penetrao, proposta por J. A. Brinell em 1.900, denominada dureza

Brinell e simbolizada por HB, o tipo de dureza mais usado at os dias de hoje na

Engenharia. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao,

de dimetro D, sobre a superfcie plana, polida e limpa de um metal atravs de uma carga Q

durante um tempo t. Essa compresso provocar uma impresso permanente no metal com o

formato de uma calota esfrica, com um dimetro d, o qual medido por intermdio de um

micrmetro ptico (microscpio ou lupa graduados), depois de removida a carga. O valor de d

deve ser tomado como mdia de duas leituras feitas a 90 uma da outra. A dureza Brinell

definida, em N/mm (ou kgf/mm), como o quociente entre a carga aplicada pela rea de

contato (rea superficial), S, a qual relacionada com os valores D e d, conforme a expresso:

44

)(

2. 22 dDDD

QpD

QSQ

HBC --

===pp

Sendo p a profundidade da impresso.

Inicialmente J. A. Brinell props uma carga, Q, igual a 3.000 kgf e uma esfera de ao

com 10 mm de dimetro e as tabelas existentes, que fornecem diretamente a dureza Brinell

calculada pela equao acima para cada valor de d, so na maioria baseadas nesses dois

valores de Q e D. Entretanto, para metais mais moles, a carga pode ser diminuda para evitar

uma impresso muito grande ou profunda e, para peas muito pequenas, pode-se tambm

diminuir o valor de D, a fim de que a impresso no fique muito perto das bordas do corpo de

prova. Essa alteraes em Q e em D devem ser feitas obedecendo-se um certo critrio, que

devero obedecer aos mtodos de ensaio existentes. Para metais excessivamente duros (HB

maior que 500kgf/mm), substitui-se a esfera de ao por esfera carboneto de tungstnio para

minimizar a distoro da esfera, o que acarretaria em valores falsos para d e, portanto, para

HB. O tempo, t, geralmente de 30 segundos, conforme as normas, mas poder ser aumentado

para at 60 segundos, como no caso de metais de baixo ponto de fuso, como por exemplo o

chumbo e suas ligas (HB300).

A unidade N/mm ou kgf/mm, que deveria ser sempre colocada aps o valor de HB,

pode ser omitida, uma vez que a dureza Brinell no um conceito fsico satisfatrio, porque a

equao que fornece a dureza Brinell no leva em considerao o valor mdio da presso

sobre toda a superfcie da impresso, que o que realmente deveria ser observado. A

localizao de uma impresso Brinell deve ser tal que mantenha um afastamento das bordas

do corpo de prova de no mnimo duas vezes e meia o dimetro, d, obtido, para evitar, em

45

ambos os casos, degeneraes laterais e de profundidade, falseando o resultado. A distncia

ente duas impresses Brinell deve ser no mnimo igual a 5d.

A pea a ser ensaiada deve estar muito bem apoiada, para se evitar algum

deslocamento quando for aplicada a carga. Caso haja alguma movimentao da pea durante e

ensaio, este fica invalidado. Esse procedimento vale tambm para outros tipos de dureza, que

sero descritos mais adiante. A limitao do uso da carga de 3.000 kgf com esfera de 10 mm

de dimetro proposta por Brinell pode ser contornada, considerando que se duas impresses

feitas com cargas e esferas diferentes fores semelhantes, os ngulos f, que o centro das esferas

faz com a impresso, so iguais, isto :

sendD

dD

ctef2

1

1

2

2

= = =

FIGURA 2.29 - ngulo ff nas impresses Brinell .

Assim, para materiais homogneos o uso de esferas de dimetros diferentes e com

cargas variveis permite obter o mesmo valor da dureza, desde que a relao Q/D, fator de

carga, seja constante. Estudos de Meyer, verificou-se que os valores de dureza Brinell obtidos

com diversas Q variavam muito pouco, desde que o dimetro, d, da impresso ficasse no

intervalo de 0,25d-0,5d (sendo considerada a impresso ideal se o valor de d ficar na mdia

46

entre esse dois valores), isto , para obter um dimetro de impresso dentro do intervalo acima

citado, deve-se manter a relao entre a carga Q e o quadrado do dimetro da esfera do

penetrador D2. Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de carga de acordo com a faixa

de dureza e o tipo de material. A tabela abaixo mostra os principais fatores de carga utilizados

e as respectivas faixas de dureza e indicaes. As esferas geralmente usadas (esferas padres)

tm dimetros de 1, 2, 5 e 10 mm e os valores fixados para a relao so:

Q/D DUREZA (HB) MATERIAL

30 90 - 415 Aos e ferros fundidos

10 30 - 140 Cobre e alumnio (ligas duras)

5 15 - 70 Cobre e alumnio (ligas moles)

2,5 at 30 Chumbo, estanho, antimnio

Desse modo, obtm-se o valor da carga necessria, isto , no caso da relao Q/D =

30, com esfera de 5 mm, deve-se aplicar uma carga de 750 kgf durante 30 segundos e

analogamente para os outros casos. Em todos os casos, porm, ao ser fornecido um valor de

dureza Brinell, deve-se mencionar qual