TECNOLOGIA MECÂNICA. Introdução

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1 Introdução É impossível imaginar nossas vidas sem os materiais de construção mecânica. Na verdade, a história do homem se confunde com a história dos materiais. A prova disso é que já passamos pela idade da pedra, do bronze e do ferro. Entretanto, durante milhares de anos a evolução desse conhecimento foi muito lenta, mas, nos últimos duzentos e cinqüenta anos, acelerou de forma espantosa descobrindo novos materiais e criando novas ligas. Hoje um dos nossos problemas é escolher o material mais adequado dentre as opções do mercado, pois, os melhores resultados são alcançados com a combinação dos melhores projetos com os melhores materiais. Para o estudo dos materiais metálicos temos a metalurgia, que nos auxilia a descrevê-los desde a produção até o uso final. Atualmente a metalurgia é uma verdadeira ciência, baseada em princípios mecânicos, físicos, químicos, no conhecimento das transformações dos aços e suas estruturas resultantes que pode ser descrita por fórmulas e gráficos e que nos auxilia na obtenção e uso adequados de materiais metálicos. A obtenção de um aço, por exemplo, pode ser resumida em cinco passos: - extração do ferro do minério de ferro; - elaboração e refino (geralmente no estado líquido da liga); - solidificação (usando as técnicas adequadas); - realização de tratamentos mecânicos (para melhora das propriedades ou obtenção da forma desejada); - realização de tratamentos térmicos e/ou termo-químicos para obtenção do produto final. Uma vez que a metalurgia está presente em todas essas etapas, podemos defini-la como: ciência de extrair os metais a partir dos seus minérios, transformálos, conforma-los e aperfeiçoa-los, diversificando suas aplicações para o uso mais econômico. A metalurgia pode ser dividida em dois ramos: - metalurgia de extração (visa a extração econômica dos metais de seus minérios) - metalurgia de transformação (visa a transformação química e mecânica dos metais. Pode ser dividida em: metalurgia mecânica conformação - e metalurgia física estrutura interna). Deve-se, também, ressaltar a importância dos materiais não-metálicos na indústria atual. Principalmente dos plásticos e borrachas que serão estudos em capítulo a parte nesta apostila. 1

2 1. Produtos Siderúrgicos Comuns Os produtos siderúrgicos mais comuns são as ligas de ferro mais carbono, cujo teor de carbono varia até o máximo teórico de 6,7%. Essas ligas podem ainda apresentar impurezas consideradas normais como: fósforo, enxofre, silício, alumínio, manganês, oxigênio e nitrogênio decorrentes do processo de obtenção. Existem também as ligas não-ferrosas de grande importância comercial conforme exemplificado na tabela a seguir. Metálicos Não- Metálicos Ferrosos Não- Ferrosos Plásticos Borrachas Cerâmicos Vidros Aços Ferros Fundidos Cobre Alumínio Estanho Chumbo Ouro Prata Aços Carbono Aços Liga Ferro Fundido Cinzento Ferro fundido Branco Ferro Fundido Maleável Ferro Fundido Nodular 2

3 2. Propriedades dos Materiais A escolha de um determinado material depende das suas propriedades (mecânicas e físicas) e de seu custo. Geralmente também são levados em conta fatores relativos ao processo de fabricação do produto pretendido. Propriedades Mecânicas Limite de elasticidade: é a máxima tensão que pode ser atingida antes de uma deformação permanente. Os metais possuem dois tipos de deformação, a elástica e a plástica. A deformação elástica segue a lei de Hooke (a deformação é proporcional à carga aplicada) já a deformação plástica não é proporcional, mas rápida e permanente. Limite de resistência à tração: é a maior tensão medida em um ensaio chamado ensaio de tração, que consiste em aplicar carga de forma estática até o rompimento de um corpo de prova do material estudado. O limite de resistência à tração é expresso força por unidade de área (exemplo: kgf/mm 2 ). Limite de escoamento: é a maior tensão observada no início do escoamento (ver figura). Limite de ruptura: é a tensão no momento da ruptura. Nos materiais dúcteis o limite de ruptura é menor que o de resistência, já nos frágeis são coincidentes. Diagrama tensão x deformação de um metal dúctil Módulo de elasticidade: relação entre a tensão e a deformação dentro da zona elástica, caracterizando a rigidez do material. 3

4 Ductilidade: é a capacidade do material de deformar-se sob tensão sem romper. Esta propriedade está ligada à zona plástica do material e pode ser comparada através do alongamento e da estricção. Ex.: o aço, o cobre e alumínio apresentam grandes deformações antes de se romper e são denominados de materiais dúcteis, outros como o ferro fundido, rompem-se sem grandes deformações e são classificados materiais frágeis. Fragilidade: pode-se dizer que é o oposto da ductilidade. É uma propriedade de grande importância, pois indica que o material apresenta ruptura brusca, sem escoamento. Alongamento: quanto mais dúctil o material maior será o seu alongamento. O alongamento é o aumento do comprimento por unidade de comprimento. Sua medição pode ser realizada através da relação entre o comprimento inicial e final ou L - Lo seja: λ = x100% onde L o é o comprimento inicial e L o comprimento final. Lo Estricção: é a redução da área por unidade de área da secção transversal. So S Pode ser determinada pela equação: ϕ = x100% onde S o é a área inicial e S a So área final. Secção de ruptura: é a forma como se apresenta a fratura do material. Metais dúcteis apresentam ruptura em forma de taça e cone, em função da deformação. Metais frágeis apresentam ruptura plana. Tenacidade: é a capacidade que tem o material de resistir a uma carga de choque sem se romper. É a quantidade de energia necessária para romper um material. 4

5 Plasticidade: é a propriedade dos materiais de mudar sua forma e dimensões sem sofrer ruptura sob a ação de forças externas, conservando a deformação sofrida, mesmo após interromper-se a força externa. Elasticidade: é a propriedade do material de recuperar sua forma e dimensão original após o desaparecimento da carga aplicada. Resistência à fadiga: é a resistência que o material oferece quando submetido a cargas repetidas e/ou de sentidos contrários sem se romper. Esta propriedade depende da temperatura e da carga aplicada. Para aços considera-se 10 7 ciclos como limite de ensaio, ou seja, se o material resistir não deve romper-se jamais. A ruptura por fadiga inicia-se nas descontinuidades, inclusões, trincas, riscos de usinagem, etc. Dureza: é a resistência que o material oferece à penetração ou risco por um corpo mais duro, que não sofra deformações permanentes. É também a resistência à abrasão e a absorção de energia sob cargas dinâmicas. Existem vários métodos para medição da dureza, entre eles: Brinell (que utiliza uma esfera como penetrador), Rockwell (que usa uma esfera ou cone de diamante) e Vickers (que utiliza uma pirâmide de diamante). Resistência à fluência: fluência e a deformação contínua ou semi-contínua de forma lenta e gradual de um material sob carga e temperatura constante. A resistência à fluência é dada em deformação percentual por número de horas transcorridas em determinada temperatura. Normalmente especifica-se deformações da ordem de 1%, com tempo entre 10 3 e 10 6 horas e temperaturas entre 200 e 400 C. Ponto de fusão: é a temperatura em que o material muda de fase (passa de estado sólido para líquido). Temperatura de transformação: é a temperatura em que a microestrutura do material transforma-se. Depende do material (ou liga) e do tempo. Variação térmica: é a capacidade de um material de contrair-se ou dilatar-se em função variação da temperatura. É por este motivo que existem vãos entre dois trilhos de trem consecutivos, por exemplo. Condutividade térmica: é a capacidade de um material de conduzir calor. Condutividade elétrica: é a capacidade de um material de ser percorrido por uma corrente elétrica. É o contrário da resistividade. Propriedades de Fabricação Fundibilidade: é a capacidade do material de penetrar completamente em um molde de fundição. 5

6 Conformabilidade plástica ou Estampabilidade: é a capacidade do material poder ser deformado plasticamente por estampagem ou forjamento sem a formação de fissuras. Usinabilidade: corresponde a facilidade que o material apresenta em se deixar conformar por retirada de cavaco nos processos de usinagem sem apresentar desgaste excessivo da ferramenta de corte. Soldabilidade: capacidade do material base (material das peças a serem soldadas) poder ser fundido na região da solda com propriedades mecânicas compatíveis com o uso. Temperabilidade: é a capacidade de um material de sofrer alterações em sua microestrutura em função de ciclos de tempo e temperatura. Ver tratamentos térmicos dos aços. Propriedades de Químicas As propriedades químicas dos materiais referem-se normalmente a sua capacidade de resistir à corrosão, aos ácidos, a soluções salinas, a solventes e óleos. Um exemplo é o aço inoxidável, que tem grande resistência à corrosão, comparado ao aço de baixo carbono comum. 6

7 3. Materiais Metálicos Os materiais metálicos, em sua maioria, não são encontrados prontos para o uso na natureza. Normalmente devem ser processados a partir de uma rocha chamada minério. Entretanto, o processamento dos minérios é uma atividade complexa, que levou cerca de anos para ser dominada. No início (aproximadamente 8000aC) o único metal que o homem podia trabalha era o ouro. O ouro é encontrado em estado puro na natureza, pode ser usado assim que encontrado. Porém, o ouro tem baixa resistência mecânica e dureza e alta ductilidade, o que por um lado facilita o trabalho de conformação, mas não permite que seja usado como arma ou ferramenta. Seu grande atrativo deve ter sido o brilho. Mais tarde (aproximadamente 7000aC) o homem já usava o cobre, que apesar de possuir baixa dureza e alta ductilidade podia ter sua resistência mecânica aumentada se fosse martelado. O cobre também pode ser soldado, o que permite a confecção de peças mais complexas. Cerca de 1000 anos depois, aparece a primeira liga metálica, o bronze. O bronze é composto por cobre e estanho, e deve ter sido obtida por puro acaso. O bronze tem maior dureza que o cobre, permitindo a construção de armas e ferramentas mais resistentes. Somente em 3500aC o ferro aparece entre os nossos antepassados. Apesar de ser o quarto elemento mais abundante na terra, o ferro precisa de um processamento prévio para ser utilizado. Os Hititas (aproximadamente 1700aC) foram o primeiro povo a usar ativamente o ferro. Para processá-lo faziam um buraco no chão e, dentro dele, aqueciam uma mistura de minério do minério de ferro com carvão. Assim era obtido o metal que devia ainda ser martelado para separação das impurezas e forjado para criar a forma esperada. Os chineses (a cerca de 3000 anos atrás) construíram os primeiros fornos para transformar o minério de ferro em aço, num processo que se desenvolveu na Europa somente no século XIV. Na América, o Brasil foi o pioneiro na siderurgia instalando em 1590 (em Biraçoiaba, distrito de Sorocaba SP) um engenho de ferro. Infelizmente a iniciativa foi abandonada em Novos empreendimentos só apareceram depois de 1800 e o grande desenvolvimento deu-se com a Companhia Siderúrgica Nacional CSN (1946), construída pelos americanos em troca do apoio brasileiro na II Guerra Mundial. 7

8 4. Materiais Metálicos Ferrosos As ligas de ferro e carbono podem ser divididas basicamente em: Ferro gusa: que é a principal matéria prima para obtenção de aço e ferro fundido. É um produto de primeira fusão, originário do alto forno. Apresenta cerca de 93% de ferro, 4% de carbono e o restante de impurezas normais provenientes do combustível e do minério utilizados. Aços comuns: são ligas binárias de ferro e carbono com teores de carbono entre 0,008% e 2,05% (podendo variar com a temperatura) e impurezas normais em pequenas quantidades decorrentes do processo de obtenção. Aços liga: são aqueles que contém ferro, carbono, impurezas e outros metais, semimetais ou não-metais com o objetivo de conferir ou melhorar propriedades em relação aos aços comuns não possuem. Ferro fundido: são ligas de ferro, carbono e silício. O teor de carbono varia entre 2,05% e 6,7% (teoricamente), sendo usual um teor de até 4,5%. Ferro esponja: é uma excelente matéria prima para fabricação do aço. É obtido por redução direta do minério de ferro e muito usado pela Piratini, por exemplo. Ferro Eletrolítico: é ferro praticamente puro, obtido pelo processo de eletrólise a partir do ferro fundido. Tem aproximadamente 99,96% de ferro e praticamente não tem uso comercial. É usado em laboratórios para experiências científicas. Obtenção dos aços O ferro não é encontrado puro na natureza. Encontra-se geralmente combinado com outros elementos formando rochas as quais se dá o nome de minério de ferro. O minério de ferro é normalmente escavado do subsolo (figura 1) ou simplesmente retirado de montanhas e encaminhado para limpeza e trituração (figura 2). Os principais minérios de ferro são a Hematita (Fe 2 O 3 ), a Magnetita (Fe 3 O 4 ), a limonita (Fe(OH) 3 H 2 O), a pirita (FeS 2 ), a siderita (FeCO 3 ) e a ilmenita (FeTiO 2 ). A 8

9 Hematita tem 70% de ferro puro, cor vermelho-sangue, cinza metálico e preto. A Magnetita tem 31% de ferro e 69% de hematita, tem cor preta e é menos freqüente. A limonita tem 90% de hematita e cores marrom, amarela ou preta e é muito encontrada na região do pantanal brasileiro. Já a pirita tem cerca de 47% de ferro e cor amarela e a siderita tem aproximadamente 38% de ferro e cor castanho-claro. A ilmenita tem cerca de 47% de ferro, cor preta, e também é uma ótima fonte de titânio. Hematita Magnetita Limonita Pirita Siderita Ilmenita Obtenção do ferro gusa: o ferro gusa pode ser considerado o pai do aço e do ferro fundido, pois ele é o primeiro produto gerado. O ferro gusa tem cerca de 4% de carbono e muitas impurezas derivadas do processo de produção que será explicado mais adiante. Basicamente, o forno para produção de ferro gusa (também chamado de forno alto-forno) é carregado com camadas sucessivas de minério de ferro, calcário 9

10 (que funciona como fundente) e coque (uma forma de carvão) que é usado como combustível e que fornece o carbono (figura 3). Estando o alto forno carregado, por meio de dispositivo especial injeta-se ar em seu interior. O ar ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir cerca de 1200ºC derrete o minério (figura 4). EXTRA! Uma das fontes de coque é o carvão fóssil, muito encontrado no sul do Brasil. Cerca de 88% do carvão fóssil brasileiro está no Rio Grande do Sul. Os jazimentos gaúchos mais importantes chamam-se Candiota, Capané, Irui, Leão, Charqueadas, Morungava/Chico Lomã e Santa Terezinha. A descoberta de carvão fóssil no Rio Grande do Sul deu-se em 1795 durante a construção de ferrovias na região do baixo Jacuí. Na segunda metade do século XIX, o imperador D. Pedro II visitou o estado e inaugurou uma mina de carvão em Arroio dos Ratos que foi denominada de Princesa Isabel Ao mesmo tempo em que o minério funde, ocorre a redução. A redução é a transformação do minério de ferro em ferro. O ferro ao derreter-se se deposita no fundo do alto forno. A este ferro dá-se o nome de ferro gusa ou simplesmente gusa. As impurezas ou escórias por serem mais leves, flutuam sobre o ferro gusa derretido (figura 5). Através de duas aberturas especiais, em alturas diferentes é retirada, primeiro a escória e em seguida o ferro gusa que é despejado em panelas chamadas cadinhos (figura 6). 10

11 Normalmente se produz cerca de ½ tonelada de escória e 6000m 3 de gás para cada tonelada de ferro gusa. A escória normalmente é descartada e o gás usado para manutenção energética da usina. O ferro gusa fundido é levado no cadinho e despejado em formas denominadas lingoteiras. Uma vez resfriado, o ferro gusa é retirado da lingoteira recebendo o nome de lingote de ferro gusa (figuras 7 e 8). Pode, também, ser transferido ainda em estado líquido para outro forno a fim de iniciar a produção de aço ou ferro fundido. Existem vários tipos de fornos para produção de aço, entre eles, podemos destacar o conversor Bessemer e o Linz-Donawitz, o forno Siemens-Martin e o a arco elétrico. O processo Bessemer é um avanço de uma prática de produção de aço conhecida na China desde 200dC. Este processo de produção foi patenteado pelo inglês Henry Bessemer em 1855 e foi o primeiro processo de produção de aço de baixo custo a partir do ferro gusa. O conversor Bessemer (figura 9) somente refina o ferro gusa, o qual sempre é introduzido fundido. O seu princípio é o da passagem de ar comprimido através da massa líquida (injetado pelo fundo do recipiente), que oxida e elimina as impurezas e o carbono, mantendo elevada a temperatura do material em fusão (aproximadamente 1700 C). Figura 9 Conversor Bessemer 11

12 O conversor Linz-Donawitz é um avanço do conversor Bessemer. Inventado na Áustria ele permite um controle mais eficaz da composição química do aço produzido. Basicamente a diferença entre os dois conversores está no gás injetado. Enquanto o conversor Bessemer injeta ar pelo fundo do forno, o Linz-Donawitz injeta oxigênio por uma lança diretamente sobre o ferro gusa líquido. O conversor Linz- Donawitz foi muito usado no Brasil devido às boas qualidades do nosso minério. O forno Siemens-Martin é um forno horizontal longo, com diversas aberturas laterais por onde se processa a carga, sendo o escoamento do aço líquido feito por intermédio de canais que vêm do fundo do leito do forno e saem em sentido oposto às aberturas de carga. O aquecimento se dá por queima de gás ou óleo. Os recuperadores servem para reaproveitar o calor dos gases expelidos pelo forno, melhorando o seu rendimento (figura 10). É um tipo de forno muito usado por que pode ser carregado com até 70% de sucata de aço. O aço produzido neste tipo de forno geralmente é usado em molas, canhões e na indústria aeronáutica. Figura 10 - Forno Siemens-Martin. O forno a arco elétrico ou forno elétrico a arco na realidade é um grande recipiente, basculante, com duas aberturas diametralmente opostas. Através de uma destas aberturas coloca-se o material sólido e a outra serve para retirada da massa líquida (figura 11). O calor é gerado pelo arco voltaico produzido entre três eletrodos verticais, geralmente de grafite, e o material carregado no forno. A temperatura varia de 1590 C a 1700 C. Durante o processo é comum a injeção de oxigênio, o que 12

13 ajuda a fundir mais rapidamente o material. Existem diversos tamanhos de fornos, que variam entre ½ e 100 toneladas. Na Siderúrgica Belgo-Mineira um forno de 100 toneladas de matéria-prima produz em aproximadamente 40 minutos cerca de 86 toneladas de aço pronto. Isto significa uma produção de t/dia e t/mês. Figura 11 Forno a arco elétrico 13