Aplicação de Tensões ( ) Conformação por Torneamento Usinagem de Corte Fresagem ( > ruptura ) Plainamento Retificação. ( T > T fusão ) Soldagem

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1 INTRODUÇÃO AOS ENSAIOS DOS MATERIAIS Todo projeto de um componente mecânico, ou mais amplamente, qualquer projeto de engenharia, requer um amplo conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis para sua viabilização. Os critérios de especificação ou escolha de materiais impõem métodos normalizados para a realização dos ensaios, que objetivam levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas condições de esforços. Essa normalização é fundamental para que se estabeleça uma linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais, já que é prática comum a realização de ensaios de recebimento dos materiais encomendados, a partir de uma amostragem estatística representativa do volume recebido. A Figura 3.1 mostra a classificação geral dos processos de conformação dos metais, segundo seus critérios básicos, seja aplicação de tensões ou aplicação de temperaturas. Conformação por Forjamento Deformação Plástica Extrusão ( < ruptura ) Laminação Processos Mecânicos Trefilação Aplicação de Tensões ( ) Conformação por Torneamento Usinagem de Corte Fresagem ( > ruptura ) Plainamento Retificação Processos Metalúrgicos Aplicação de Temperaturas Conformação por Fundição Solidificação Lingotamento ( T > T fusão ) Soldagem Conformação por (T) Sinterização Metalurgia ( T < T fusão ) do Pó Figura Quadro geral de classificação dos processos de conformação dos metais [Segundo Campos, 1978]. O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia é função de sua estrutura interna e de sua aplicação em projeto. As relações existentes entre as diferentes 1

2 características que influenciam no desempenho de determinado componente e a parte da ciência que estuda tais relações podem ser vistas na Figura 3.2. Estrutura Interna do Material Metalurgia Comportamento Mecânico Mecânica Comportamento Estrutural / Projeto Figura 3.2 Relação entre características dos materiais e seu comportamento mecânico. Vê-se pela Figura 3.3, que os processos que se encarregam de dar forma à matéria-prima, dependem da estrutura interna apresentada antes de cada etapa de processamento, o que progressivamente vai alterando a forma e a estrutura do material, implicando em propriedades particulares. No final do processo de fabricação, o componente terá um conjunto de propriedades decorrentes das características originais da matéria-prima, devidamente modificadas durante os processos, e que devem coincidir com as especificações finais de projeto. Metal Líquid o Estrutura Metalográfica Inicial ( estrutura bruta de fusão ) Passo 1 Processo 1 Forma 1 Estrutura 1 Passo 2 Processo 2 Forma 2 Estrutura 2 Produto Acabado Forma, estrutura e propriedades finais especificadas pelo projeto base. Passo Final Processo Final Forma Final Estrutura Final Especificações de Projeto Figura Esquema representativo do caminho de fabricação de uma peça desde a matériaprima (metal líquido) até o produto final. O fluxograma apresentado na Figura 3.4 mostra alguns processos envolvidos nos diferentes caminhos de fabricação de uma peça, desde a matéria-prima metálica até o produto acabado. 2

3 Sinterização Matéria-Prima Metálica Fusão Metalurgia do Pó Solidificação Solidificação Fundição Lingotamento Não Convencionais Convencional Não Convencionais Estático Contínuo Compactação Dinâmica Líquida, Refusão por Laser, Placas e Tarugos Chapas e Tiras Produto Semi Acabado Fusão/Solidificação Corte/Rebarbação Tratamentos Superfíciais Soldagem Usinagem Produto Acabado Figura Fluxograma representativo dos caminhos de fabricação de uma peça metálica. As características que o material especificado deve atender podem ser divididas em duas categorias: Características de Processamento referem-se às propriedades físicas da matéria-prima, como função dos processos de fabricação envolvidos na manufatura do produto final. Características de Aplicação referem-se às propriedades físicas desejadas no produto acabado, como função direta de sua utilização e comportamento estrutural. Exemplo 1.1: Tomando-se como referência a fabricação de um eixo de transmissão (Figura 3.5), a seqüência operacional, a partir do tarugo de aço obtido pelo vazamento do metal líquido num molde, deve ser a seguinte: 3

4 Matéria-Prima Tarugo de Aço Processo 01 Forjamento Objetivos: Dar uma pré-forma ao eixo e componentes através de conformação plástica Processo 02 Usinagem Processo 03 Tratamentos Térmicos e Termoquímicos Objetivos: Conferir dimensões finais e acabamento superficial por processos de retirada de excesso de materiais Objetivos: Melhorar ou adequar localmente as propriedades mecânicas do produto acabado ou componente Figura Fluxograma representativo dos processos envolvidos na fabricação de uma peça metálica. Para o exemplo em questão, as características que o material especificado deve atender são: Características de processamento Forjabilidade: facilidade de preenchimento da matriz; Usinabilidade: adequadas condições de corte; Suscetibilidade a tratamentos: o material deve apresentar condições de modificação estrutural através de tratamentos térmicos e superficiais; Características de aplicação projeto; Resistência mecânica: o eixo acabado deve apresentar a resistência especificada no Resistência ao desgaste: as partes responsáveis pela transmissão de movimento, no caso os dentes de engrenagens, devem apresentar determinado nível de dureza para evitar desgaste prematuro; Ductilidade: a possibilidade do eixo sofrer impactos durante o funcionamento exige que seu núcleo não seja frágil. Na seqüência de fabricação apresentada, os ensaios do material de referência são imprescindíveis nas seguintes etapas: No recebimento de material do fornecedor: análise química da composição do material encomendado, resistência mecânica e dureza. Na peça acabada: resistência mecânica, microestrutura e dureza, que devem estar compatíveis com a faixa de aceitação exigida pelo projeto. Peças fora de especificação devem ser rejeitadas e, 4

5 acima de um certo percentual, deve exigir ajustes nas etapas de fabricação para diminuir o índice de rejeição Propriedades Mecânicas Os ensaios mecânicos permitem a determinação de propriedades mecânicas, que se referem ao comportamento do material quando sob a ação de esforços, e são expressas em função de tensões e/ou deformações [Apêndice A]. Tensões representam a resposta interna aos esforços externos atuantes sobre uma certa área em um corpo. Entre as principais propriedades dos materiais obtidas por ensaio, podem-se citar: Resistência: Representada por tensões, definidas em condições particulares. Elasticidade: Propriedade do material, pela qual a deformação que ocorre em função da aplicação de tensão desaparece quando a tensão é retirada. Plasticidade: Capacidade do material sofrer deformação permanente sem romper-se. Resiliência: Capacidade de absorção de deformação no regime elástico Tenacidade: Reflete a energia total necessária para provocar a fratura do material Finalidade dos Ensaios dos Materiais As duas mais importantes finalidades da execução dos ensaios são: Permitir a obtenção de informações rotineiras do produto ensaios de controle: no recebimento de materiais de fornecedores e no controle final do produto acabado. Desenvolver novas informações sobre os materiais no desenvolvimento de novos materiais, novos processos de fabricação e novos tratamentos Vantagens da Normalização dos Materiais e Métodos de Ensaio A normalização tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios, e suas principais vantagens são: Tornar a qualidade do produto mais uniforme; Reduzir os tipos similares de materiais; Orientar o projetista na escolha do material adequado; Permitir a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios; Reduzir desentendimentos entre produtor e consumidor Classificação dos Ensaios dos Materiais Quanto à integridade geométrica e dimensional da peça ou componente: i ) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça; 5

6 Ex: Tração, Dureza, Fadiga, Fluência. ii ) Não- Destrutivos: não comprometem a integridade da peça; Introdução aos Ensaios dos Materiais Prof. Carlos Alexandre dos Santos Ex: Raios-X, Raios-, Ultra-Som, Partículas Magnéticas. Quanto à velocidade de aplicação da carga: i ) Estáticos: carga aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucessão de estados de equilíbrio (processo quase-estático); Ex: Tração, Compressão, Flexão, Dureza e Torção. ii ) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente; Ex: Fadiga e Impacto. iii ) Carga Constante: carga aplicada durante um longo período; Ex: Fluência. Ensaios de Fabricação: Não avaliam propriedades mecânicas, fornecendo apenas indicações do comportamento do material quando submetido a um processo de fabricação: Estampabilidade, Dobramento, etc. Métodos de Ensaios: Determinam que os ensaios devem ser realizados em função da geometria da peça, do processo de fabricação, e de acordo com as normas técnicas vigentes, podendo ser: Ensaios da própria peça Ensaios de modelos Ensaios em amostras Ensaios em corpos-de-prova retirados de parte da estrutura REFERÊNCIAS 1 - CALLISTER, W.D., Engenharia e Ciência dos Materiais. Uma Introdução, Rio de Janeiro: LTC Editora, VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, GARCIA, A., SPIM, J.A., SANTOS, C.A., Ensaios dos Materiais, Rio de Janeiro: LTC Editora, SMITHS, W.; HASHEMI, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Rio de Janeiro: McGrall-Hill, REED-HILL, Physical Metallurgy, Rio de Janeiro: McGrall- Hill,