Materiais de construção de máquinas

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1 Universidade Estadual do Norte Fluminense Centro de Ciências e Tecnologias Agropecuárias Laboratório de Engenharia Agrícola EAG Mecânica Aplicada * Materiais de construção de máquinas 1. Introdução O melhor material é aquele que satisfaz ao serviço, tem preço baixo e permite manutenção econômica da peça acabada. Deve-se considerar as exigências a serem satisfeitas pela peça fabricada relativamente à sua função, solicitação e durabilidade e, a seguir, as exigências relativas à conformação e à fabricação, bem como os custos de fabricação e os problemas de obtenção de materiais. Vários fatores podem influenciar a escolha do material a ser empregado em uma máquina entre eles a durabilidade, peso, preço, resistência à corrosão, dureza, conforto, temperatura de trabalho, eficiência. 2. Classificação Os materiais de construção de máquinas podem ser classificados em: Metálicos ferrosos - ferro fundido; - aço fundido; - aço moldado. não-ferrosos - alumínio, magnésio, zinco, cobre, titânio, ligas e outros. Não-metálicos madeiras; polímeros; cerâmicos. 3. Materiais metálicos ferrosos São materiais que apresentam em sua composição o elemento ferro (Fe). Podem ser formados também pela combinação do ferro com outros elementos formando ligas Ferro fundido São materiais que apresentam entre 2 a 4,5% de carbono (C). São constituídos por uma grande família de materiais. A maior vantagem do ferro fundido é seu baixo custo e fácil fabricação. Alguns são frágeis em relação ao aço, mas como a maioria dos materiais fundidos, possuem alta resistência à compressão. Suas densidades são inferiores às do aço sendo em média kg/m 3 e apresentam módulo de elasticidade na faixa de 97 a 172 MPa. A grande quantidade de carbono, presente em alguns ferros fundidos em forma de grafite, torna algumas destas ligas fáceis de serem fundidas e torneadas em estado sólido. A forma mais usual de fabricação é o molde de areia com operações subseqüentes como jateamento e torneamento Ferro fundido cinzento É uma liga de ferro com teor de carbono superior na faixa de 2 a 4% (Grauguss GG). A presença do carbono na forma de grafite é responsável pela sua coloração acinzentada e seu nome. É classificado baseado na resistência à tração mínima em kpsi. A classe 20 (GG 20), por exemplo, apresenta uma resistência mínima à tração de 20 kpsi (138 MPa). O custo do ferro aumenta com a resistência à tração. O ferro cinzento possui excelente resistência ao desgaste devido à presença da grafite, podendo ser melhorada com certos aditivos e pelo tratamento térmico. Funde-se com facilidade e é facilmente usinável. Tem muito maior capacidade de amortecimento de vibrações que o aço. Assim, é largamente utilizado em chassis de máquinas, bloco de motores, tambores de freios, engrenagens, barramentos de máquinas e, em * Prof. Ricardo Ferreira Garcia garcia@uenf.br CCTA-LEAG

2 geral, onde ocorre contato de metal com metal e movimento relativo. É usado também com sucesso em eixos virabrequins de motores de automóveis. Devida a sua relativa baixa resistência à tração é recomendado evitar sua aplicação em situações onde esteja sujeito a grandes flexões e cargas de fatiga Ferro fundido branco É uma liga de ferro em que grande parte do carbono está quimicamente combinada com o ferro e, como resultado, origina um metal muito duro. Se o carbono combinado é da faixa de 1,5%, o ferro fundido torna-se difícil, ou impossível de usinar. Tem seu uso bastante limitado, como em rodas, rolos e revestimentos de misturadores de cimento onde a dureza é necessária Ferro fundido maleável É o obtido a partir do ferro gusa branco de boa fusibilidade, que é fundido e submetido ao tratamento térmico (maleabilização) tornando-se, assim, bem tenaz, algo deformável e facilmente usinável. Tem resistência à tração superior ao ferro fundido cinzento, variando de 50 a 120 kpsi (345 a 827 MPa), mas é menos resistente ao desgaste. É utilizado em partes onde as tensões de flexão estão presentes. O ferro fundido maleável branco, comumente encontrado no comércio, é próprio para a fabricação de pequenas peças como correntes transportadoras, rodas, chaves e ferragens. O ferro fundido maleável preto, que apresenta uma quantidade significativa de carbono combinado, pode ser utilizado também na fabricação de peças de paredes mais espessas irregulares como de aparelhos eletrodomésticos, carcaças de redutores, tambores de freios, mas não pode ser soldado nem forjado, e é impróprio para altas temperaturas Ferro fundido nodular Possui a maior resistência à tração dos ferros fundidos, variando na faixa de 70 a 135 kpsi (480 a 930 MPa). O nome nodular, também chamado de dúctil, é pelo fato de suas partículas de grafite estarem na forma esferoidal. Apresenta um módulo de elasticidade superior ao do ferro fundido cinzento, na faixa de 25 Mpsi (172 GPa), e sua curva de tensão e deformação tem um comportamento linear. É mais forte, mais dúctil, e menos poroso que o ferro cinzento. O ferro fundido nodular é aplicado em partes sujeitas a cargas de fatiga como árvores de manivelas, pistões, e mecanismos Aço fundido O aço fundido é um material que se obtém boa combinação de alta resistência com alta elasticidade e tenacidade. Fundidos de aço são usualmente tratados termicamente e seus teores de carbono situam-se na faixa de 0,25 a 0,50% (Stahlguss GS). O aço fundido pode ser forjado, soldado e endurecido por tratamento térmico, mas é de fundição mais difícil e, por isso, mais caro. O aço fundido é classificado de acordo com seu conteúdo de carbono como baixo teor (< 0,2%), médio teor (0,2-0,5%) e alto teor de carbono (> 0,5%). Ligas de aço fundido são feitas contendo outros elementos para aumentar sua resistência à tração e temperatura. A resistência à tração de ligas de aço fundido varia de 65 a 200 kpsi (450 a 1380 MPa) Aço moldado O aço moldado é obtido pela queima do carbono da gusa e, em seguida submetido a operações de martelamento e laminação, ou seja, é aquele obtido da manipulação do material sem fundi-lo. Os métodos mais comuns são os de moldagem a quente e a frio. Na moldagem a quente, o aço aquecido é forçado a mudar seu formato progressivamente em seções em I, L, canais, ângulos, chapas, tubos e placas. A superfície do material final é áspera devido à oxidação a elevadas temperaturas. É uma forma de obter aço para formar partes para a construção de chassis de máquinas e outras partes onde o acabamento da superfície é irrelevante, mas uniforme. O aço moldado a frio é obtido com o material a temperatura ambiente sendo forçado por moldes endurecidos a assumir formas. Há um incremento de residência e redução de ductilidade. O material final apresenta um melhor acabamento superficial e dimensões mais precisas quando comparado ao moldado a quente.

3 3.4. Influência dos elementos de liga Carbono (C) eleva os limites de resistência de ruptura, de escoamento e de dureza Brinell, e a sensibilidade a concentrações de tensões, mas reduz a tenacidade e a usinabilidade, bem como a forjabilidade, a soldabilidade e as condutividades térmica e elétrica. Enxofre (S) melhora a usinabilidade, mas reduz a resistência à fadiga. Fósforo (P) aumenta o limite de escoamento e a resistência à ferrugem, porém, reduzem sua resistência à fadiga. Silício (Si) confere resistência a ácidos, eleva o endurecimento e a resistência elétrica e reduz a deformabilidade a frio. Cobre (Cu) eleva os limites de resistência de ruptura e de escoamento, e a resistência à ferrugem. Manganês (Mn) eleva a resistência ao atrito e melhora sua endureciblidade. Níquel (Ni) eleva o limite de escoamento, resiliência e a resistência à fadiga. Cromo (Cr) eleva a dureza e a resistência ao desgaste dos aços, a resiliência e a endureciblidade. Aumenta também a resistência ao calor, à corrosão a quente, à ferrugem e a ácidos. Molibdênio (Mo) protege o aço contra a fragilidade de revenido e favorece a uniformidade de beneficiamento em profundidade. Eleva ainda a resistência a altas temperaturas. Tungstênio (W) evita a fragilidade de revenido e confere elevada resistência a altas temperaturas. Vanádio (V) melhora a resistência a altas temperaturas e a capacidade de resistir a superaquecimentos. Eleva ainda a tenacidade e o magnetismo de aços. Cobalto (Co) eleva sensivelmente a capacidade de corte de aços e os torna mais estáveis durante o revenido e mais resistente a altas temperaturas. Alumínio (Al) eleva a dureza superficial e a resistência dos aços à corrosão e ao envelhecimento (aumento da fragilidade). PROPRIEDADES C Mn P S Si Ni Cr Mo V Al Aumenta a dureza Aumenta a resistência Diminui a dutilidade Diminui a soldabilidade Desoxidante Aumenta a resistência ao impacto Aumenta a resistência à corrosão Aumenta a temperabilidade Aumenta a resistência à abrasão Aumenta a resistência a altas temperaturas Quadro com resumo das propriedades de alguns elementos da liga

4 4. Materiais metálicos não-ferrosos 4.1. Ligas de alumínio Devido aos seus pequenos pesos específicos (2.700 a kg/m 3 ) e às suas resistências à tração relativamente elevadas atingindo a faixa de 70 a 90 kpsi (480 a 620 MPa), as ligas de alumínio são vantajosamente empregadas na construção de máquinas bem como na fabricação de peças de máquinas dotadas de movimentos de alta velocidade. Quando a redução do peso justificar o custo mais elevado da matéria-prima, as ligas de alumínio também serão utilizadas, em vez do aço ou do ferro fundido, na fabricação de peças sujeitas a esforços moderados. Apresentam ainda alta condutibilidade térmica e elétrica, resistência à corrosão, fácil fundição, facilmente trabalhável a quente ou frio e de fácil união. São empregados em chapas para veículos e máquinas, pistões, bielas, carcaças, caixas, tubulações, rebites e utensílios em geral Ligas de cobre As ligas de cobre apresentam características muito apreciadas, como grande resistência à corrosão, boa soldabilidade, boas propriedades mecânicas e de deslizamento, elevada condutibilidade térmica e elétrica, e possibilidade de se submeterem a vários processos de conformação como fundição, estampagem, injeção, forjamento e laminação. As ligas de cobre apresentam módulo de elasticidade na faixa de 17 Mpsi (117 GPa) e peso específico de kg/m 3. O cobre é utilizado em sua forma pura ou em ligas sendo a denominação latão utilizada para se referir à liga de cobre e zinco e o bronze, para a liga de cobre e estanho. As ligas de cobre são utilizadas em tubos e chapas trocadores de calor, peças resistentes à corrosão, material decorativo, radiadores, molas, partes elétricas, parafusos, discos de embreagem, varetas de solda, casquilhos, arames, fios, entre outros Ligas de magnésio O magnésio é um dos metais comerciais mais leves, mas é relativamente fraco. A resistência à tração está na faixa de 10 a 50 kpsi (69 a 345 MPa). As ligas de magnésio possuem peso específico inferior que as ligas de alumínio (1.800 kg/m 3 ), de modo que, sobretudo as peças fundidas que devem suportar uma dada carga, apesar de menor resistência da matéria-prima, ficam mais leves se feitas de magnésio que se feitas de alumínio. Outras características destas ligas são ausência de fagulha e de magnetismo, boa usinabilidade e baixo módulo de elasticidade. Estas ligas não podem ser soldadas a gás, são dificilmente soldáveis por solda elétrica e não tão bem deformáveis a frio. Devido ao seu baixo módulo de elasticidade (43 GPa), as ligas de magnésio são insensíveis a golpes ou choques Ligas de titânio É um material relativamente novo. Pesa quase a metade do aço (4.429 kg/m 3 ), é resistente como um aço de resistência média (135 kpsi {930 MPa}) e seu módulo de elasticidade E é de 16 a 18 Mpsi (110 a 124 GPa), ou cerca de 60% do aço. Tem seu custo mais elevado quando comparado ao alumínio e ao aço. As ligas de titânio apresentam elevada resistência à fadiga e à corrosão, é facilmente forjado e difícil de ser torneado ou moldado a frio. 5. Materiais não-metálicos Na construção de máquinas, às vezes, é necessário o emprego de materiais leves, de baixo custo e de emprego específico, não exigindo grande resistência Madeiras A madeira, quando comparada aos metais, apresenta algumas vantagens como, por exemplo, menor preço por volume, melhor usinabilidade e menor peso específico, menor condutibilidade térmica e elétrica e notável elasticidade e resistência ao atrito. Como desvantagens, salienta-se a irregularidade da qualidade, a inflamabilidade, menor resistência mecânica e durabilidade e tendência a deformar-se. São empregados em modelos de fundição, de gabaritos e formas, aros de polias, molas, elementos de fricção, mancais, pisos, assentos e carrocerias de veículos, de colunas, estruturas, treliças, entre outros. Pode ser utilizada na forma natural ou beneficiada como madeira compensada, blindada, estratificada comprimida e prensada.

5 5.2. Polímeros Os polímeros apresentam baixo peso, relativamente pequena resistência, dureza, resistência à corrosão e elétrica, e baixo custo. São moléculas de cadeia longa de materiais orgânicos ou compostos baseados em carbono. Enquanto existem vários polímeros naturais (cera, borracha, proteínas, etc.), a maioria dos polímeros usados na engenharia são feitos pelo homem. Suas propriedades podem ser lapidadas através da união com outros compostos ou polímeros. Devido à sua grande variedade, é difícil generalizar as propriedades dos polímeros, mas seus módulos de elasticidade variam de 10 kpsi (69 MPa) a cerca de 400 kpsi (2,8 GPa). Suas resistências à tração variam de 4 kpsi (28 MPa), para o polímero mais fraco, a cerca 22 kpsi (152 MPa), para os mais fortes. Podem ser divididos em duas classes principais: de consolidação a quente, que sofrem transformações químicas e endurecem quando aquecidos, usualmente sob pressão, e termoplásticos, que amolecem à proporção que a temperatura sobe e permanecem moles enquanto quentes. Os termoplásticos podem ser recuperados a quente, ao passo que os de consolidação a quente não o podem. Os nomes genéricos dos polímeros são geralmente longos, complexos e difíceis de lembrar. Em alguns casos, o nome da marca de um polímero tem sido tão usado que se tornou genérico. Alguns exemplos são o nylon, teflon, fiberglass, etc. Os termoplásticos são bastantes empregos em peças de cargas, tais como alças, maçanetas, recipientes, grades, tampas ou envoltórios. Contudo, o nylon vem sendo usado com sucesso em engrenagens e mancais devido à sua grande resistência ao desgaste, e o teflon, com sua grande resistência à ação química e sua característica de pequena absorção de água, tem sido aplicado em juntas de vedação, engaxetamentos e juntas de expansão. Em aplicações requerendo menor precisão, outros termoplásticos são também usados para juntas e acoplamentos de tubos Cerâmicos Os materiais cerâmicos estão encontrando novas aplicações na engenharia e um grande esforço tem sido realizado no desenvolvimento de novos compostos cerâmicos. Os materiais cerâmicos usados na engenharia são tipicamente compostos de elementos metálicos e não-metálicos e apresentam como propriedades à alta dureza e fragilidade, alta resistência à temperatura e ação química, alta resistência à compressão, alta resistência elétrica e baixo custo. A baixa resistência à tração, porosidade e a facilidade de fratura podem ser problemas às aplicações destes materiais. Os materiais cerâmicos são aplicados em tubulações, reservatórios, filtros, cubas, tambores, bocais, trocadores de calor, revestimentos, porcelanas, isoladores, condensadores, engrenagens, velas de ignição, entre outras aplicações.

6 6. Sistemas numéricos de classificação dos aços Existem atualmente dois sistemas numéricos de classificação. Os institutos ASTM 1, AISI 2 e SAE 3 criaram códigos para definir os elementos da liga e o conteúdo de carbono dos aços. A classificação AISI/SAE utiliza quatro dígitos para designar os materiais. Os dois primeiros números representam os principais elementos que compõem a liga. Os dois últimos números indicam a quantidade de carbono presente, em centésimos de porcentagem. Tipo AISI/SAE Principais Elementos da Liga Aço Carbono Aços-carbono comuns 10xx Carbono Corte fácil (com S) 11xx Carbono adicionado com enxofre Corte fácil (com S e P) 12xx Carbono adicionado com enxofre e fósforo Ligas de Aço Aço-manganês 13xx 1,60 a 1,90% de manganês 15xx 1,00 a 1,65 % de manganês Aço-níquel 20xx 0,40 a 0,60% de níquel 21xx 1,25 a 1,75% de níquel 23xx 3,25 a 3,75% de níquel 25xx 4,75 a 5,25 % de níquel Aço-níquel-cromo 31xx 1,10 a 1,40% de níquel; 0,55 a 0,75% de cromo 32xx 1,75% de níquel; 1,07% de cromo 33xx 3,25 a 3,75% de níquel; 1,40 a 1,75% de cromo 34xx 3,00% de níquel; 0,77% de cromo Aço-molibdênio 40xx 0,20 a 0,30% de molibdênio 44xx 0,40 a 0,52% de molibdênio Aço-cromo-molibdênio 41xx 0,80% a 1,10% de cromo; 0,15% a 0,25% de molibdênio Aço-níquel-cromo-molibdênio 43xx 1,65 a 2,00% de níquel; 0,50% a 0,80% de cromo; 0,20 a 0,30% de molibdênio 47xx 1,05% de níquel; 0,45% de cromo; 0,20 a 0.35% de molibdênio 86xx 0,55% de níquel; 0,50 a 0,65% de cromo; 0,20% de molibdênio 87xx 0,55% de níquel; 0,50% de cromo; 0,25% de molibdênio 93xx 3,25% de níquel; 1,20% de cromo; 0,12% de molibdênio 94xx 0,45% de níquel; 0,40% de cromo; 0,12% de molibdênio 97xx 0,55% de níquel; 0,20% de cromo; 0,20% de molibdênio 98xx 0,85 a 1,15% de níquel; 0,70 a 0,90% de cromo; 0,20 a 0,30% de molibdênio Aço-níquel-cromomolibdênio-boro 94Bxx baixos teores de níquel, cromo, molibdênio; mínimo de 0,0005% de boro Aço-níquel-molibdênio 46xx 1,65 a 2,00% de níquel; 0,20 a 0,30% de molibdênio 48xx 3,25 a 3,75% de níquel; 0,20 a 0,30% de molibdênio Aço-cromo 50xx 0,55 a 0,70% de cromo 51xx 0,80 a 1,10% de cromo 52xx 1,30 a 1,60% de cromo Aço-cromo-boro 50Bxx baixo teor de cromo; mínimo de 0,0005% de boro Aço-cromo-vanádio 61xx 0,80 a 1,10 % de cromo; 0,10 a 0,15% de vanádio Aços-silício-manganês 92xx 0,70 a 1,00% manganês e 1,80 a 2,20% de silício Exemplo: SAE aço ao carbono com 0,30% de C. 1 American Society for Testing and Materials 2 American Iron and Steel Institute 3 Society of Automotive Engineers

7 7. Algumas propriedades dos materiais Tenacidade É a capacidade do material de absorver energia devido à deformação até a ruptura. É uma propriedade desejável para casos de peças sujeitas a choques e impactos, como engrenagens, correntes, etc. Pode-se definir como a capacidade de se deformar quando submetido a esforço mecânico e recuperar sua forma inicial. Resiliência É a propriedade de um corpo de devolver a energia armazenada devido a uma determinada deformação. A energia de deformação por unidade de volume até o limite de proporcionalidade é denominada módulo de resiliência u r do material (MJ.m -3 ). Ductilidade A ductilidade está relacionada com a deformação de ruptura. Quanto mais dúctil um material, maior a deformação de ruptura (e r ). Isto significa que um material dúctil pode ser, por exemplo, trefilado com mais facilidade. Fragilidade Propriedade contrária à ductilidade. Um material frágil apresenta menor deformação de ruptura. Em geral, os aços de elevado carbono são mais frágeis (ou menos dúcteis) que os de médio carbono.