Disciplina: Materiais para produção industrial Prof.: Sidney Melo

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1 Disciplina: Materiais para produção industrial Prof.: Sidney Melo 1

2 Introdução Aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro e carbono, com percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%. Ferro fundido, que também é uma liga de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A diferença fundamental entre ambos é que o aço, pela sua ductibilidade, é facilmente deformável por forja, laminação e extrusão, enquanto que uma peça em ferro fundido é fabricada pelo processo de fundição. 2

3 Introdução Na engenharia, seja para o projeto e manufatura de pequenos ou grandes componentes, é fundamental o conhecimento do comportamento do material com que se trabalha, isto é, suas propriedades mecânicas em várias condições de uso. As condições de uso envolvem: temperaturas, tipo de cargas e sua freqüência de aplicação, desgaste, deformabilidade etc... 3

4 Introdução Para que o projetista possa prever o comportamento do material em condições de trabalho é imprescindível que tenha em mãos os parâmetros de comportamento, determinados através de ensaios mecânicos. 4

5 Classificação dos aços AÇOS 0 < %C 1,5 0 < %EL 50 Baixa Liga Alta Liga 0 < %EL < %EL 50 Baixo Teor de Carbono Médio Teor de Carbono Alto Teor de Carbono 0 < %C 0,25 0,25 < %C 0,60 0,60 < %C 1,5 Comum ARBL (HSLA) Comum Tratável Térmicamente Comum Ferramenta Ferramenta Inoxidável %EL = 0 1,5 < %EL 10 %EL = 0 0 < %EL 10 EL = 0 0 < %EL < %EL < %EL 50 Si, Mn Mn, P, S, Nb, Ti, Ni, V Si, Mn Ni, Cr, Mo Si, Mn W,T, Cr, Ni W,T, Cr, Ni Ni, Cr, Mo 5

6 Embora os valores de propriedades de muitos materiais comumente usados na engenharia possam ser obtidos de tabelas, é importante que os engenheiros tenham conhecimento da metodologia da execução dos ensaios e do significado de cada parâmetro. Portanto é importante conhecer os fundamentos básicos relativos a cada ensaio. 6

7 A propriedades médias de um aço com 0,2% de carbono em peso geram em torno de: Densidade média: 7860 kg/m³ (ou 7,86 g/cm³) Coeficiente de expansão térmica: 11, (C )-1 Condutividade térmica:52,9 W/m-K Calor específico: 486 J/kg-K Resistividade elétrica: 1,6 10-7Ω Módulo de elasticidade (Módulo de Young) Longitudinal: 210GPa Módulo de elasticidade (Módulo de Young) transversal:80 GPa Coeficiente de Poisson: 0,3 Limite de escoamento: 210 MPa Limite de resistência a tração: 380 MPa Alongamento: 25% 7

8 Classificação por Aplicação Aços ao Carbono: baixo, médio e alto carbono. Aços ao Carbono: ressulfurados e refosforados. Aços para estampagem Aços Ligados para Beneficiamento. Aços Ligados para Cementação. Aços para Deformação a Frio. Aços para Mola. Aços para Rolamento. Aços com Temperabilidade Garantida. 8

9 9

10 Influência dos Elementos de Liga 10

11 Carbono Principal elemento de liga dos aços Aumenta o limite de resistência tração. Aumenta a dureza. Aumenta a temperabilidade. Diminui a tenacidade. Diminui a soldabilidade. 11

12 Silício Aumenta o limite de resistência tração e o limite de escoamento, com pequena diminuião na tenacidade. Diminui a condutividade térrmica e a usinabilidade. Endurece a ferrita, com perda de ductilidade. Aumenta moderadamente a temperabilidade da austenita. Sustenta a dureza durante o revenimento. Principais aplicações: desoxidante, elemento de liga para chapas com propriedades elétricas ou magnéticas. 12

13 Manganês Endurece acentuadamente a ferrita e reduz a ductilidade. Aumenta a temperabilidade da austenita. Aumenta a resistência à tração ão, com diminuição insignificante na tenacidade. Aumenta a resistência abrasão. Aumenta a soldabilidade. 13

14 Enxofre Se combinado ao manganês, aumenta a usinabilidade. É considerado como uma impureza no aço ço: deteriora todas as propriedades com exceção eção da usinabilidade. 14

15 Fósforo Endurece fortemente a ferrita. Aumenta a temperabilidade da austenita. Aumenta a resistência dos aços baixo carbono. Aumenta a usinabilidade dosaços de corte livre. 15

16 Cromo Endurece ligeiramente a ferrita. Aumenta a resistência tração. Aumenta a resistência corrosão. Aumenta moderadamente a temperabilidade da austenita. Resiste a diminuição da dureza durante o revenimento. Aumenta a resistência ao desgaste. Melhora a resistência a altas temperaturas. Diminui a soldabilidade (muito) e a tenacidade (pouco). 16

17 Molibdênio Aumenta a dureza, a resistência a quente e a fluência. Quando na presença de n íquel e cromo, aumenta o limite de resistência à tração e o limite de escoamento. Opõe-se à diminuição de dureza durante o revenimento. Eleva a temperatura de crescimento de grão da austenita. Aumenta a temperabilidade. 17

18 Chumbo, Bismuto, Telúrio e Selênio Elementos utilizados para melhorar a usinabilidade dos aços, deteriorando, via de regra, as demais propriedades. 18

19 Cobre Melhora a resistência à tração e o limite de escoamento dos aços, mas diminui a sua ductilidade. 19

20 Nitrogênio Formador de nitretos que aumentam a resistência dos aços Diminui a tenacidade. Facilita a corrosão intergranular. 20

21 Hidrogênio Elemento indesejável vel, fragiliza o aço e causa defeitos internos (trincas e flocos). 21

22 Ensaios Mecânicos 22

23 Para que servem os Ensaios? É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Mas como saber se os materiais apresentam tais características? 23

24 Realizando ensaios mecânicos! Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. 24

25 Onde são feitos os Ensaios? Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios. Os ensaios fornecem resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em qualquer local que apresente as condições adequadas. 25

26 Os ensaios de protótipos são muito importantes, pois permitem avaliar se o produto testado apresenta características adequadas à sua função. Os resultados obtidos nesses testes não podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objetos que sejam semelhantes ou diferentes. Protótipo é a versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes. 26

27 Já os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas técnicas estabelecidas, em condições padronizadas, permitem obter resultados de aplicação mais geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar. Corpo de prova é uma amostra do material que se deseja testar, com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. 27

28 Propriedades dos Materiais Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à construção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades. Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos: físicas; químicas. 28

29 A elasticidade é um exemplo de propriedade mecânica. Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava. 29

30 A estampagem de uma chapa de aço para fabricação de um capô de automóvel, por exemplo, só é possível em materiais que apresentem plasticidade suficiente. Plasticidade é a capacidade que um material tem de apresentar deformação permanente apreciável, sem se romper. 30

31 Uma viga de uma ponte rolante deve suportar esforços de flexão sem se romper. Para tanto, é necessário que ela apresente resistência mecânica suficiente. Resistência mecânica é a capacidade que um material tem de suportar esforços externos (tração, compressão, flexão etc.) sem se romper. 31

32 Tipos de Ensaios Mecânicos Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação que adotaremos neste módulo agrupa os ensaios em dois blocos: ensaios destrutivos; ensaios não destrutivos. 32

33 Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Os ensaios destrutivos abordados nas próximas aulas deste módulo são: tração compressão cisalhamento dobramento flexão torção dureza fadiga impacto 33

34 Ensaios não destrutivos são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqüência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados. Os ensaios não destrutivos tratados nas aulas deste módulo são: visual líquido penetrante partículas magnéticas ultra-som radiografia industrial 34

35 Com este objetivo, serão descritos nesta seção os ensaios mecânicos relevantes para o uso de produtos siderúrgicos. Tração Compressão Dureza Impacto Dobramento Estampabilidade 35

36 Ensaio de Tração 36

37 O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem. 37

38 Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original. 38

39 Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original. 39

40 Pode-se dizer que para materiais metálicos existem dois formatos típicos de curvas: as curvas para os metais dúcteis e as curvas para os metais frágeis. DÚCTIL FRÁGIL 40

41 Um material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica. A deformação plástica em geral é acompanhada de encruamento, que será explicado adiante. Na curva tensão deformação destes materiais, a região plástica é identificável O ponto de escoamento determina a transição entre as fases elástica e plástica (com ou sem patamar na curva). 41

42 Um material frágil rompe-se facilmente, ainda na fase elástica. Para estes materiais o domínio plástico é praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Na curva tensão deformação, a ruptura se situa na fase elástica ou imediatamente ao fim desta, não havendo fase plástica identificável. 42

43 A classificação de materiais dúcteis e frágeis não é rígida, pois um material pode mudar suas características de comportamento, por influência de vários fatores como por exemplo, a temperatura de trabalho. Altas temperaturas tendem a promover o comportamento dúctil. Baixas temperaturas tendem a promover o comportamento frágil. Então um material de comportamento frágil em temperatura ambiente poderá se tornar dúctil em altas temperaturas, ou um material dúctil se tornar frágil em baixas temperaturas. 43

44 Os parâmetros de comportamento do material do corpo de prova são as tensões e deformações típicas de cada fase do teste de tração, como especificado a seguir. As tensões obtidas no teste de tração são dados importantes tanto para o projeto de componentes e estruturas que trabalharão na fase elástica como para os que trabalharão na fase plástica. 44

45 Em termos gerais o teste de tração tem uma só conduta de procedimentos. Basicamente um corpo de prova é submetido a uma carga de tração crescente até atingir a ruptura. As medições feitas ao longo do teste é que diferem, de acordo com o tipo de comportamento do material. Assim, para materiais frágeis, os parâmetros da zona elástica e a tensão de ruptura são identificados no teste. 45

46 Para os materiais dúcteis, é necessário identificar outros parâmetros, como as tensões durante a fase não linear de deformações, as tensões durante o escoamento e a tensão máxima antes da ruptura. Devido à sua simplicidade e ao grande número de informações que pode ser obtido do ensaio de tração uniaxial dos metais, este ensaio é amplamente utilizado e existem muitas normas técnicas que o regulamentam. O traçado da curva é feito pelo registro das deformações na direção da tensão, para cada valor da tensão no processo de carregamento. Obtém-se assim a curva tensão x deformação. 46

47 Ensaio de Tração de Materiais Dúcteis O traçado da curva é feito pelo registro das deformações na direção da tensão, para cada valor da tensão no processo de carregamento. Obtém-se assim a curva tensão x deformação, conforme esquematizado abaixo. 47

48 σ=f A Limite Resistência Limite Escoamento Fratura Patamar de Escoamento Encruamento E Elástica Plástica Ruptura ε (%) = l L 48

49 49

50 Lembrando que a tensão de engenharia é obtida dividindo-se a força aplicada pela seção transversal inicial e a deformação de engenharia é a razão entre o alongamento sofrido pelo corpo e o seu comprimento inicial, a curva tensão x deformação de engenharia tem o mesmo formato que a curva carga x alongamento (obtida diretamente na máquina de tração), como esquematizado abaixo. 50

51 Como já visto, a tensão verdadeira e a deformação verdadeira não dependem dos valores iniciais da seção transversal e do comprimento do CP, mas sim dos correspondentes valores instantâneos. Então, se fizermos uma curva s x e, teremos uma curva durante a deformação plástica sempre crescente, mesmo após a estricção, uma vez que para continuar a deformar o metal, a tensão verdadeira deve ser cada vez maior (devido ao encruamento do material), até ser atingida a saturação plástica do metal e ocorrer a ruptura do CP. Isto é esquematizado na figura abaixo. 51

52 Ensaio de Tração de Materiais Frágeis O procedimento de carregamento para o ensaio de tração de um material frágil é o mesmo dos materiais dúcteis. A diferença é apenas o tipo de comportamento que se refletirá na curva tensão - deformação. Os materiais frágeis não apresentam uma fase de escoamento, ou seja, não existe um ponto característico que define início da fase plástica. A carga de tração crescente provoca uma deformação elástica e logoao ultrapassar o limite de proporcionalidade, o corpo de prova rompe-se. Ver figura abaixo. 52

53 53

54 Encruamento O fenômeno do encruamento acontece para materiais solicitados além do limite elástico. Os tempos de relaxação para os metais e suas ligas em temperatura ambiente, em geral são tão longos, que o equilíbrio raramente é atingido e é por isto que apresentam a característica de endurecerem-se por deformação: o encruamento. Assim, para prosseguir o processo de deformação plástica, o nível de tensão deve ser cada vez maior, até ser atingido o limite de resistência (saturação plástica) e forma-se a estricção, seguida da ruptura do metal. 54

55 Nota: O tempo de relaxação é uma medida da mobilidade das cadeias atômicas e depende da estrutura cristalina e da temperatura. Qualquer metal ou liga metálica que tenha sido mecanicamente solicitado a um certo nível de tensão, experimentará um decréscimo gradual da resistência com o tempo. Este fenômeno denominado Relaxação de Tensão, de interesse tanto prático quando fundamental, oferece um meio para estudar a deformação dinâmica dos metais. 55

56 Expressões analíticas Tensão-Deformação no Regime Plástico A deformação não é uma grandeza de estado. Assim, é impossível expressar com exatidão a dependência analítica eij=f(sij). Contudo para o ensaio de tração uniaxial, foram muitas as tentativas de expressar esta dependência. A seguir, listam-se algumas: 56

57 a) Ludwig onde: σ 0 é a tensão de escoamento, K é o índice de resistência, que é uma característica do material (depende da estrutura e pode variar com o processamento) e n é o coeficiente de encruamento, também típico de cada material. 57

58 b) Hollomon: A Equação de Hollomon não tem fundamentação teórica e, freqüentemente, observam-se desvios, principalmente para altas deformações (e 1,0) ou baixas deformações (e 10-3 ). 58

59 Constantes da Equação de Hollomon para vários metais em diferentes condições de processamento, de acordo com G.Dieter 59

60 c) Voce Onde σ, σ 0 e ε c são parâmetros que dependem da temperatura e da taxa de deformação. Esta equação é muito utilizada, principalmente para analisar a estampabilidade de tiras metálicas. 60

61 Outras Propriedades obtidas no Ensaio de Tração Resiliência; Ductibilidade; Tenacidade; Efeito da Taxa de Deformação. 61

62 RESILIÊNCIA É a capacidade do metal absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado. 62

63 RESILIÊNCIA onde σ 0 = limite de escoamento; E = módulo de elasticidade ou de Young. w = módulo de resiliência. 63

64 DUCTILIDADE É uma propriedade qualitativa que mede a capacidade do material ser deformado plasticamente sem que ocorra a ruptura ou a estricção localizada. As medidas convencionais da ductilidade são: 64

65 DUCTILIDADE alongamento total : é a deformação de engenharia na fratura: A medida do alongamento é função do comprimento inicial usado como base de medida e este deve ser especificado em um relatório. Por exemplo, a 50> significa a medida do alongamento de um CP cuja base de medida foi de 50 mm. 65

66 b) redução de área na fratura Visto que o volume permanece constante durante a deformação plástica, tem-se: Logo, esta grandeza também depende do comprimento da base de medida tal como a Eq.(6'). 66

67 c) Coeficiente de encruamento: a equação de Hollomon indica que o coeficiente n é também uma medida da ductilidade, uma vez que ele indica a deformação verdadeira para a qual inicia-se a estricção do metal. Assim, vejamos algumas de suas características: é adimensional e independe do tamanho inicial do CP analisado; é função da microestrutura, sendo sensível ao tamanho de grão da matriz e da quantidade de impurezas contidas na mesma. Sua dependência em relação ao tamanho de grão da matriz (d), para aços baixo C, é dada por (com d em mm): 67

68 Às vezes, há a necessidade de determinar-se mais que um valor de n para um mesmo material. É que ele pode obedecer a uma certa equação do tipo Hollomon em determinado trecho da curva s x e e, em outro trecho desta curva pode ser que outra equação do tipo Hollomon se adapte melhor. Isto é bastante comum no caso dos aços. 68

69 TENACIDADE É a capacidade do material absorver energia na região plástica. É medida pela área sob a curva,s x e. Outra forma usual de avaliá-la é através do ensaio de Impacto. 69

70 TENACIDADE É a capacidade do material absorver energia na região plástica. É medida pela área sob a curva,s x e. Outra forma usual de avaliá-la é através do ensaio de Impacto. 70

71 EFEITO DA TAXA DE DEFORMAÇÃO A taxa ou velocidade de deformação exerce três efeitos principais na conformação: 1. A tensão de escoamento do metal aumenta com a taxa de deformação; 2. A temperatura do material aumenta devido ao aquecimento adiabático; 3. Existe melhor lubrificação na interface metal - ferramenta, desde que o filme do lubrificante possa ser mantido. 71

72 Por definição, a taxa de deformação é dada por: Considerando a Eq. (6), vem: onde: v é a velocidade do travessão da máquina de tração. Essa equação indica que para uma velocidade constante do travessão a taxa de deformação verdadeira decresce proporcionalmente ao aumento do comprimento do corpo de prova. 72

73 A taxa de deformação verdadeira está relacionada com a convencional através de: Experimentalmente, encontra-se a seguinte expressão: onde: m = coeficiente de sensibilidade à taxa de deformação. 73

74 A tabela abaixo mostra valores típicos de velocidades de deformação para diferentes operações de ensaios e conformação. É importante observar que a velocidade de conformação da maioria dos equipamentos comerciais é apreciavelmente mais rápida do que a velocidade de deformação utilizada no ensaio de tração padronizado. Contudo, não chega a ser elevada o suficiente para tornar importante os efeitos de ondas de tensão. 74

75 Referências bibliográficas VICENTE CHAVERINI, "Aços e Ferros Fundidos", Características gerais, tratamentos térmicos e principais tipos, 4 Edição São Paulo, Associação Brasileira de Metais 1977 Material Didático. Centro de Informação Metal Mecânica, em: <www.cimm.com.br> 75

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