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Elementos org. de máquinas i   parte 4
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Elementos org. de máquinas i parte 4

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  • 1. 1 ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I AT-096 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira Dr. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br MATERIAIS METÁLICOS
  • 2. 2 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 3. 3 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 4. 4 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 5. 5 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 6. 6 MATERIAIS METÁLICOS 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%. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 7. 7 MATERIAIS METÁLICOS ESTRUTURA: Esquema estrutural de uma dentrita MATERIAIS METÁLICOS 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
  • 8. 8 MATERIAIS METÁLICOS ESTRUTURA: União de partículas fundamentais MATERIAIS METÁLICOS ESTRUTURA: Estados de Alotropia ou polimorfismo: é a propriedade que certos metais (como o ferro) apresentam ao possuírem reticulados cristalinos diferentes conforme a temperatura.
  • 9. 9 MATERIAIS METÁLICOS 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). MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 10. 10 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS PRODUÇÃO:
  • 11. 11 MATERIAIS METÁLICOS PRODUÇÃO: MATERIAIS METÁLICOS PRODUÇÃO:
  • 12. 12 MATERIAIS METÁLICOS PRODUÇÃO: MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 13. 13 MATERIAIS METÁLICOS AÇO:  Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantes são classificados em:  Aço baixa liga.  Aço alta liga. MATERIAIS METÁLICOS AÇO:  Dependendo do seu conteúdo em carbono os aços são classificados em:  Aço baixo em carbono.  Aço médio em carbono.  Aço alto em carbono.
  • 14. 14 MATERIAIS METÁLICOS AÇO: 2,0 MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 15. 15 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 16. 16 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS AÇO:
  • 17. 17 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 18. 18 MATERIAIS METÁLICOS FERRO FUNDIDO Misto MATERIAIS METÁLICOS 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).
  • 19. 19 MATERIAIS METÁLICOS 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 MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 20. 20 MATERIAIS METÁLICOS 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; MATERIAIS METÁLICOS APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO  Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados: Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;
  • 21. 21 MATERIAIS METÁLICOS APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO  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 MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 22. 22 MATERIAIS METÁLICOS 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). MATERIAIS METÁLICOS 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;
  • 23. 23 MATERIAIS METÁLICOS APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO MATERIAIS METÁLICOS FERRO FUNDIDO MISTO  Consiste em uma mistura dos ferros cinzento e branco, visando melhorar alguma característica, possuindo assim composição bem variada.
  • 24. 24 MATERIAIS METÁLICOS 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 MATERIAIS METÁLICOS 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).
  • 25. 25 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 26. 26 MATERIAIS METÁLICOS FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR  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. MATERIAIS METÁLICOS FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR  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.
  • 27. 27 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS AÇÃO DOS LIGANTES  Principais elementos de liga:  Cobre (até 3%)  Cromo  Fósforo  Molibdênio  Níquel  Vanádio
  • 28. 28 MATERIAIS METÁLICOS 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: MATERIAIS METÁLICOS 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)
  • 29. 29 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 30. 30 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 31. 31 MATERIAIS METÁLICOS ALUMÍNIO MATERIAIS METÁLICOS 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.
  • 32. 32 MATERIAIS METÁLICOS 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. MATERIAIS METÁLICOS COBRE
  • 33. 33 MATERIAIS METÁLICOS 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.