ENSAIOS DOS MATERIAIS EM-641

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1 Apresentação e Introdução do Curso ENSAIOS DOS MATERIAIS

2 Apresentação e Introdução do Curso Programa Analítico 1) Introdução 2) Ensaio de Tração 3) Ensaio de Compressão 4) Ensaio de Dureza 5) Ensaio de Torção 6) Ensaio de Flexão 7) Ensaios de Fabricação 8) Fluência 9) Ensaios Dinâmicos (Impacto e Fadiga) 10) Ensaios Nãodestrutivos (Raios X, Raios, Ultra-som, Partículas Magnéticas e Líquidos Penetrantes)

3 Apresentação e Introdução do Curso Bibliografia Básica 1. Garcia, A., Spim, J. A. & Santos, C. A. Ensaios dos Materiais - Livros Técnicos e Científicos Editora, Callister Jr, W.D. Materials Science and Engineering - An Introduction, J. Wiley & Sons, 3a. edição, Souza, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Editora Edgard Blucher, 5a. edição, Dieter, G. E. Mechanical Metallurgy, Mc Graw-Hill Book Co., 3a. edição, Metals Handbook, 9th Edition, Vol. 8: Mechanical Testing, American Society for Metals, Metals Handbook, 11th Edition, Vol. 11: Nondestructive Inspection and Quality Control, American Society for Metals, 1976.

4 Apresentação e Introdução do Curso Critério de Avaliação: M = ( P P 2 ) onde: M- media final P 1 - primeira prova P 2 - segunda prova

5 Apresentação e Introdução do Curso Classificação dos Materiais Metais: Cerâmicos: Polímeros: - puros ou ligas: combinações de elementos - grande n de elétrons não-localizados: nuvem de elétrons - bons condutores térmicos e elétricos - resistentes e deformáveis - combinações de elementos metálicos e não-metálicos - geralmente são óxidos, silicatos, aluminatos, nitretos e carbonetos - cimento e vidro - isolantes : térmicos / elétricos - mais resistentes ao calor e ambientes agressivos - mais duros, porém quebradiços - plásticos; elastômeros, etc - compostos orgânicos à base de C e de H - possuem estruturas moleculares grandes - baixa densidade e extremamente flexíveis

6 Apresentação e Introdução do Curso Classificação dos Materiais Compósitos: Semicondutores: Biomateriais: - mais de um tipo de material - combinação das propriedades de cada material - plástico reforçado com fibra de vidro - propriedades intermediárias entre condutores/isolantes - muito influenciado por pequena quantidade de impurezas - matéria prima de circuitos integrados - compatibilidade com o corpo humano - não devem ser tóxicos e nem magnéticos

7 Apresentação e Introdução do Curso Estrutura dos Materiais Estruturas cristalinas (A) - Diamante (B) - Grafite

8 Apresentação e Introdução do Curso Tipos Exemplos Madeira:compósito celulose/lignina Borracha Polímeros São sólidos moleculares com os átomos unidos por ligações covalentes e moléculas por ligações secundárias (fracas). Naturais Sintéticos Tecidos Proteínas Enzimas: proteína c/ efeito catalítico: ex: fermento Nylon Polietileno Acrílico Borracha

9 Apresentação e Introdução do Curso Cerâmicos Átomos unidos por ligações iônicas com, eventualmente, algum caráter covalente Exemplos: NaCl (sal), giz (carbonato de cálcio), gesso (gipsita: sulfato de cálcio), Óxidos: Al 2 O 3, MgO, ZrO 2 (zirconita), SiO 2 (sílica), Carbetos: SiC, Cimento(3CaO.SiO2 ), Concreto (compósito)

10 Apresentação e Introdução do Curso Classe Aços e Ferros Fundidos Não-Ferrosos Exemplos Aços Carbono Aços Liga: Ex: 4340: Ni-Cr-Mo Aços Inoxidáveis: ex:304 (18Cr8Ni) Ligas Al-Cu: sol./precipitação Ligas Al-Si: modificação c/ Na Ligas Cu-Zn (latões) Ligas Cu-Sn (bronzes) Ligas Zn-Al Ligas Mg-Al Classe Ligas Especiais Amorfos Exemplos Ligas de Co Superligas Ni-Cr-Co Ligas Ti Ligas Ni-Fe-B Ligas Ni-Nb

11 Apresentação e Introdução do Curso Metal Puro Para um metal puro, a curva de resfriamento a partir do estado líquido é dada por: Acima da temperatura de fusão o material se encontrará no condição de líquido e abaixo dessa temperatura na condição de sólido. O ponto T F corresponde ao ponto de transformação. Líquido (1 fase) T F Tv Resfriamento do líquido Sólido (1 fase) Temperatura Tf Transformação de fase (Liberação de calor latente) Tf é chamada de Temperatura de fusão Resfriamento do sólido Tempo

12 Apresentação e Introdução do Curso Diagrama de Equilíbrio: Ligas Binárias Liga binária: metal puro (componente A) ao qual será adicionada uma certa quantidade de um elemento de liga (componente B). A curva de resfriamento partindo de uma temperatura T V, será dada por: Diagrama de fases Tv Resfriamento do líquido Líquido (1 fase) Temperatura Tl Ts Liga binária: Metal base (solvente) - A Metal de liga (soluto) - B Transformação de fase (sólido + líquido) Tempo Resfriamento do sólido T L T S Sólido + Líquido T L - Temperatura liquidus T S - Temperatura solidus Sólido (1 ou + fases)

13 Apresentação e Introdução do Curso Diagrama de Equilíbrio: Construção Para diferentes teores de soluto B no solvente A, diferentes curvas de resfriamento serão obtidas: A+10%B A+70%B Limite das Temperaturas liquidus Temperaturas de transformação versus teor de soluto Temperatura 100% A Limite das Temperaturas solidus Tem peratura Liquido Limite das Temperaturas liquidus Líquido + Sólido Tf B Limite das Temperaturas solidus A+50%B A+30%B A+90%B 100% B Tempo Curvas térmicas t e levantamento das temperaturas de transformação de fase Tf A Sólido 100% A 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% B %B

14 Apresentação e Introdução do Curso Diagrama de Equilíbrio: Linhas Um diagrama de equilíbrio (ou diagrama de fases) completo, deve apresentar como informações as temperaturas de transformação de fase, os campos de fases e as solubilidades envolvidas: Tf A Linha Solidus Liquido (1 fase) Linhas Liquidus Tf B Temperatura α α + L Linha Solvus Sólido (2 fases) α + β β+ L Ca Ce Cb β 100% A 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% B %B

15 Apresentação e Introdução do Curso Definição e Conceitos Fundamentais: Componente: Define um metal puro, e/ou os componentes individuais que formam uma liga (Cu puro, Al puro, Au puro, etc) Sistema: Define todo o espectro de possibilidades de mistura de componentes (Al-Cu, Fe-C, Sn-Pb Pb, Ti-Ni Ni,, etc) Fase: Define uma porção homogênea de um sistema. (Fase α,, Fase β, Fase θ,, Fase eutética tica)

16 Apresentação e Introdução do Curso Formação das Fases: Componente A Componente B SOLIDIFICAÇÃO Sólido - Condição 1 Estrutura cristalina organizada apresentando duas fases Líquido Estrutura desorganizada apresentando uma única fase Sólido - Condição 2 Estrutura cristalina organizada apresentando uma fase formada por diferentes componentes

17 Apresentação e Introdução do Curso Solução Sólida: S Ao se adicionar pequenas quantidades de sal ou açúcar na água, estes se dissolvem a ponto de se manter diluídos na água. Nesse caso temos uma solução líquida. O termo Solução SólidaS lida, tem a mesma idéia, entretanto refere-se a materiais no estado sólido. Um componente B pode formar uma solução sólida com um componente A, se o componente B se misturar a estrutura do componente A (de modo intersticial ou substitucional ) de tal forma a manter uma condição de fase única. Componente solvente Solução sólida Substitucional Componente solvente Solução sólida Intersticial Componente soluto FASE ÚNICA Componente soluto

18 Apresentação e Introdução do Curso Constituição de uma liga: As fases que se encontram presentes; A composição de cada fase; A proporção de cada fase; As propriedades mecânicas de um material dependem do arranjo da microestrutura. Outros fatores de importância nas propriedades serão: Fase A (Matriz) A ESCALA da fase Fase B (Precipitado) A MORFOLOGIA da fase Fase A (Matriz) Fase B (Precipitado)

19 Apresentação e Introdução do Curso Contorno de Grãos Materiais policristalinos são formados por unidades cristalinas (grãos) com diferentes orientações cristalográficas. A fronteira entre os grãos é uma região de defeitos: Contornos de Grão > deformação associada > maior energia. No interior do grão todos os átomos estão arranjados segundo a célula unitária típica. Controle do Tamanho de Grão:

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21 Apresentação e Introdução do Curso Imperfeições em Sólidos: S Maioria das propriedades dos materiais são influenciadas pela presença a de imperfeições Defeito cristalino: irregularidade na rede cristalina com uma ou mais das suas dimensões na ordem de um diâmetro atômico Classificação das imperfeições: Pontuais ( dimensão um associados com 1 ou 2 posições atômicas ): vacâncias ou lacunas, impurezas intersticiais e substitucionais Lineares ( dimensão um associados com varias posições atômicas ): discordâncias Planares ou Interfaciais ( dimensão dois associados com planos ou superfícies ): superfícies externas, interfaces, fronteiras de grão, Volumétricas ( dimensão três associado com volumes e espaços): vazios; fraturas; inclusões e outras fases

22 Apresentação e Introdução do Curso Poros ligas Al-Cu Inclusões em AçosA

23 Apresentação e Introdução do Curso Ligas Ferro- Carbono: Aço e Ferro Fundido Diagrama de Equilíbrio Fe-C

24 Apresentação e Introdução do Curso Ligas Ferro-Carbono: Aço e Ferro Fundido Transformações apresentadas pelo ferro durante o aquecimento:

25 DECOMPOSIÇÃO Apresentação e Introdução DA AUSTENITA do Curso RESFRIAMENTO DE UM AÇO A O EUTETÓIDE 912 o C zoom 727 o C α + α 0,0218% de C = α α + Fe C Cementita 3 0,77%C Ferrita Cementita + Fe C 3 C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C DIFUSÃO DO C Empobrecido para 0,0218% de C Enriquecido com 6,67% de C Empobrecido para 0,0218% de C Perlita 6,67% de C = Fe C 3

26 ANÁLISE Apresentação DO e RESFRIAMENTO Introdução do Curso DE UM AÇO A O HIPOEUTETÓIDE IDE C é expulso do contorno para o centro Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 0,77%C Formação de Ferrita no contorno de grão 912 o C C continua a migrar para o centro 727 o C Núcleo do grão enriquecido com 0,77% de C α Pto 1 Pto 2 - Temperatura T Pto 3 - T = 728 o C 0,77%C Pto 4 - T = 726 o C Ponto 4 Ferrita %C na Austenita Perlita (Ex = 0,4%C) 0,77%C 0,77%C %C na primeira Ferrita %C na Ferrita na temperatura T %C na Austenita na temperatura T

27 Apresentação e Introdução do Curso ANÁLISE DO RESFRIAMENTO DE UM AÇO A O HIPEREUTETÓIDE IDE C é expulso do centro para o contorno Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 0,77%C Formação de Cementita no contorno de grão (6,67%C) 912 o C C continua a migrar para o contorno 727 o C Núcleo do grão empobrecido com 0,77% de C α 0,77%C %C na Austenita (Ex. 1,3%C) Perlita 1148 oc 2,11 %C Cementita Pto 1 Pto 2 - Temperatura T Pto 3 - T = 728 o C Pto 4 - T = 726 o C Ponto 4 0,77%C 0,77%C %C na Austenita na temperatura T

28 Apresentação e Introdução do Curso Microestruturas de Aços Carbono com diferentes teores de C Aço 1005 Aço 1020 AÇO O SAE TREFILADO Aço 1045

29 Apresentação e Introdução do Curso Diagramas TTT O resfriamento rápido de ligas Fe-C, a partir da região austenítica, pode conduzir à formação de microestruturas refinadas de equilíbrio e até estruturas fora do equilíbrio dependendo da velocidade de resfriamento imposta.

30 Apresentação e Introdução do Curso Tratamentos Térmicos Têmpera: É um processo para a obtenção de estrutura metaestável de elevada dureza. Consiste em aquecer a peça acima da zona crítica, manter por tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em austenita e resfriar rapidamente, em água ou óleo, obtendo-se a martensita (metaestável) Revenido: Uma operação geralmente realizada após a têmpera para melhorar a relação entre a dureza e a ductilidade da peça. Consiste em aquecer a peça a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona crítica e mantê-la por um certo tempo. Normalização: consiste em aquecer a peça a uma temperatura acima da zona crítica, manter o tempo suficiente para que toda estrutura se transforme em austenita e resfriar no ar. A estrutura final é composta por perlita fina e ferrita primária. Recozimento: Consiste em elevar a temperatura da peça acima da zona crítica, mantê-la por um tempo suficiente e resfriá-la lentamente.

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34 Apresentação e Introdução do Curso Martensita grosseira - aumento 75x

35 Apresentação e Introdução do Curso A adição de Silício à composição química dos ferros fundidos, favorece a decomposição da cementita que é um composto metaestável: Fe 3 C 3Fe + C O carbono na forma de grafita assume a a morfologia de veios, formando o que se denomina de ferro fundido cinzento. A adição de magnésio ou cério, ao invés do silício, favorece a formação de nódulos de grafita dando origem ao ferro-fundido nodular. O resfriamento rápido do ferro-fundido inibe a decomposição da cementita, dando origem ao ferro fundido branco, conhecido assim pelo aspecto esbranquiçado de sua fratura.

36 RESFRIAMENTO Apresentação e Introdução DE UM FERRO do Curso FUNDIDO BRANCO EUTÉTICO TICO No diagrama ignorou-se o peritético tico por questões didáticas Líquido LIQUIDO 912 o C L + 2,11 %C 4,3%C L + Fe 3 C o Ponto C 1148 o C 727 o C α 0,77%C + Fe C 3 α + Fe C 3 Ponto 2 - T Ponto o C % C na Austenita na temperatura T Ponto 1 DIFUSÃO DO C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C Empobrecido para 2,11% de C Enriquecido com 6,67% de C Empobrecido para 2,11% de C AUSTENITA CEMENTITA Ponto 3 Perlita LEDEBURITA

37 Apresentação e Introdução do Curso RESFRIAMENTO DE UM FERRO FUNDIDO BRANCO HIPOEUTÉTICO TICO No diagrama ignorou-se o peritético tico por questões didáticas Líquido LIQUIDO Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais sólidos s de Austenita 912 o C 727 o C α 0,77%C L + 2,11 %C %C na Austenita no resfriamento + Fe C 3 α + Fe C 3 Pto 2 - Temperatura T 4,3%C L Ponto o C + Fe C 3 Ponto o C 1148 o C Ponto 2 Dendritas de Austenita %C na Austenita em solidificação P.ex.: Fe - 3,5 %C %C no líquido remanescente Ledeburita (Fe C + ) 3 Ponto 3

38 Apresentação e Introdução do Curso RESFRIAMENTO DE UM FERRO FUNDIDO BRANCO HIPEREUTÉTICO TICO No diagrama ignorou-se o peritético tico por questões didáticas Líquido Ponto 1 - Formação dos primeiros cristais sólidos s de Cementita LIQUIDO 912 o C L + 2,11 %C %C na Austenita no resfriamento Pto 2 - Temperatura T 4,3%C L + Fe 3 C Pto o C 1148 o C 727 o C α 0,77%C + Fe C 3 α + Fe C 3 Ponto 2 Fe C 3 Agulhas de Cementita Líquido remanescente %C no líquido remanescente Ledeburita (Fe C + ) 3 Ponto 3

39 RESUMO Apresentação DO DIAGRAMA e Introdução do Fe-Fe Curso C 3 No diagrama ignorou-se o peritético tico por questões didáticas 912 o C 2,11 %C 0,77%C 727 o C α Fe Hipoeutetóide ide α + Perlita ( α + Fe 3 C ) AÇOS FERRO FUNDIDO BRANCO Líquido L + L + Fe 3 C 2,11 %C 1148 o C Eutetóide 100% Perlita ( α + Fe 3 C ) Hipereutetóide ide Fe 3C + Perlita ( α + Fe 3 C ) + Fe C 3 α + Fe C 3 Hipoeutético tico Perlita + Ledeburita 4,3%C Eutético tico 100% Ledeburita Fe 3 C + Perlita ( α + Fe 3 C ) Linha que define o aparecimento da CEMENTITA Hipereutético tico Fe 3C + Ledeburita Fe C 3

40 Apresentação e Introdução do Curso RESUMO DO DIAGRAMA Fe-Fe C 3 No diagrama ignorou-se o peritético tico por questões didáticas 912 o C 2,11 %C 0,77%C 727 o C HB 80 α Fe Material Ductíl 100 < HB < 240 AÇOS FERROS FUNDIDOS BRANCO Líquido L + L + Fe 3 C 2,11 %C 1148 o C Eutetóide 100% Perlita ( α + Fe 3 C ) + Fe C 3 α + Fe C 3 Material Muito Duro 300 < HB < 450 Material Duro 240 < HB < 300 4,3%C Eutético tico 100% Ledeburita Fe 3 C + Perlita ( α + Fe 3 C ) Linha que define o aparecimento da CEMENTITA Material Hiper Duro 450 < HB < 550 HB 550 Fe C 3 Dados de dureza para condições normais de solidificação

41 Apresentação e Introdução do Curso Ferro Fundido Nodular com matriz de ferrita + perlita Ferro Fundido Cinzento com matriz ferrítica Ferro Fundido branco Ferro Fundido Nodular com matriz ferrítica

42 Apresentação e Introdução do Curso Porosidade Exemplo: compactado de pó de ferro, compactação uniaxial em matriz de duplo efeito, a 550 MPa Exemplo: compactado de pó de ferro após sinterização a 1150 o C, por 120min Segunda Fase Micro-estrutura composta por veios de grafita sobre uma matriz perlítica. Grão de perlita: é constituído por lamelas alternadas de duas fases: ferrita (ou ferro-α) e cementita (ou carboneto de ferro).

43 Apresentação e Introdução do Curso Microestruturas de Ferro Fundido com conteúdos crescentes de Mg

44 Apresentação e Introdução do Curso Ensaios dos Materiais Normalização: linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais pesquisa e desenvolvimento Propriedades Mecânicas: Resistência Elasticidade Resiliência Plasticidade Tenacidade Estrutura Interna do Material Metalurgia Comportamento Mecânico Mecânica Comportamento Estrutural / Projeto Finalidade: Obtenção de informações rotineiras do produto Desenvolver novas informações sobre os materiais 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

45 Apresentação e Introdução do Curso Classificação : Quanto à integridade i ) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça; Tração, Dureza, Fadiga, Fluência, Torção, Flexão, Impacto ii ) Não- Destrutivos: não comprometem a integridade da peça; Raios-X, Raios-, Ultra-Som, Partículas Magnéticas, Líquidos Penetrantes, Microdureza i ) Estáticos: carga aplicada lenta (estados de equilíbrio); Tração, Compressão, Flexão, Dureza e Torção Quanto à velocidade: ii ) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente; Fadiga e Impacto iii ) Carga Constante: carga aplicada durante um longo período; Fluência

46 Apresentação e Introdução do Curso Metal Líquido 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 Especificações de Projeto Forma Final Estrutura Final Características de processamento Forjabilidade: facilidade de preenchimento da matriz; Usinabilidade: adequadas condições de corte; Suscetibilidade a tratamentos: condições de modificação estrutural (TT e superficiais); Características de aplicação Resistência mecânica: Resistência ao desgaste: Ductilidade: apresentar a resistência especificada no projeto; apresentar nível dureza para evitar desgaste prematuro; impactos exige que seu núcleo não seja frágil.

47 Apresentação e Introdução do Curso Determinação das Propriedades Realização de ensaios padronizados e normalizados sob condições específicas de: Solicitações mecânicas tração compressão cisalhamento cíclica Temperaturas ambiente baixas altas Ambientais inerte redutora: O2+2H2O+4e->4(OH)- oxidante:fe> Fe2+ +2ecorrosiva Tipos de tensões: tração, compressão, cisalhamento e torção