CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

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1 1AP - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 1

2 Conteúdo da Apresentação: Classificação dos materiais Estruturas cristalina dos metais Propriedades físicas dos materiais Obtenção do ferro gusa e do ferro fundido 2

3 Classificação dos materiais Um grego chamado Demócrito sugeriu que toda matéria é composta de pequenas partículas, que chamou de átomos. Átomos Moléculas Materiais. 3

4 Tabela periódica 4

5 Classificação dos materiais O que é um material? Um material é um composto predominantemente sólido e homogêneo de substâncias que pode ser usado na construção de peças 5

6 Classificação dos materiais Os materiais são predominantemente sólidos A organização dos grupos de moléculas estabelecem o seu comportamento na natureza: Estado sólido: Moléculas ou átomos agrupados que MANTÉM a FORMA após serem moldados. 6

7 Classificação dos materiais Os materiais são homogêneos Foto do tecido Variadas substâncias diferentes. Mesmas propriedades em toda parte. 7

8 Classificação dos materiais Materiais Metálicos Não -Metálicos Ferrosos Não - Ferrosos Sintéticos Naturais 8

9 Materiais metálicos Formados por uma ou mais substâncias, onde predominam as metálicas Predominantemente brilhantes e resistentes; Têm alta densidade em relação aos demais (no mínimo, 2 kg / dm 3 ); Normalmente obtidos através de minérios; Muito usados em construções mecânicas. 9

10 Materiais não metálicos Naturais: madeira, couro, fibras, etc. Acrílico Artificiais ou sintéticos: baquelite, celulóide, acrílico, etc. - Materiais plásticos Baquelite Celulóide: marfim artificial 10

11 Materiais metálicos ferrosos METÁLICOS FERROSOS AÇOS FERROS FUNDIDOS 11

12 Materiais metálicos ferrosos 1. Substância Predominante: FERRO - Fe 2. Substância não predominante porém importante: CARBONO - C 3. Usados desde a antiguidade 4. De cores acinzentada até prateada 5. Os mais usados na indústria mecânica 6. Em sua maioria muito resistentes e fáceis de serem trabalhados. 12

13 Materiais metálicos não ferrosos METÁLICOS NÃO FERROSOS PESADOS Ex.: Chumbo, Cobre e Cromo Limite: 5kg/dm 3 LEVES Ex.: Alumínio e Magnésio 13

14 Materiais metálicos não ferrosos São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Metais pesados: (ρ > 5kg/dm 3 ) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc. Metais leves: (ρ < 5kg/dm 3 ) alumínio, magnésio, titânio, etc. cobre chumbo utilizados em peças sujeitas a oxidação titânio alumínio 14

15 Aços Características Gerais Liga de Ferro (Fe) e Carbono (C), com o último tendo de 0 a 2,1% na composição, Tem excelentes propriedades mecânicas: material tenaz, dúctil, de fácil trabalho, podendo também ser forjável. De cor acinzentada até prateada 80% dos materiais usados na indústria 15

16 Ferros Fundidos Características Gerais Liga de Ferro e Carbono, com o último tendo de 2,1 a 6,67% na composição. Custo menor que o do aço, devido a facilidade de obtenção. De cores mais acinzentada, devido à grande quantidade de carbono. Sempre que possível, deve-se usá-lo ao invés do aço. Há basicamente 3 tipos: FoFo Cinzento, FoFo Branco e FoFo Maleável. 16

17 Classificação dos materiais MATERIAIS METÁLICOS NÂO-METÁLICOS FERROSOS NÃO-FERROSOS NATURAIS SINTÉTICOS Aço Al - Alumínio Madeira Vidro Ferro fundido Cu - Cobre Couro Cerâmica Zn - Zinco Borracha Plástico Mn - Magnésio Pb - Chumbo Sn -Estranho Ti - Titânio 17

18 Materiais de construção mecânica Estrutura cristalina dos materiais 18

19 Reticulados Cristalinos Cristal Metálico: átomos organizados num padrão tridimensional bem definido, que se repete no espaço, formando uma estrutura com uma geometria específica. Tipos de reticulado de materiais ferrosos: CCC: Cúbico de corpo centrado CFC: Cúbico de face centrada 19

20 Rede cúbica de faces centradas Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ. Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais. 20

21 Rede cúbica de corpo centrado Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α. Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais. 21

22 Hexagonal compacta Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. A dimensão da rede varia de tipo para tipo. Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais. 22

23 Grão O grão é um aglomerado de reticulados cristalinos; a fronteira entre grão se chama contorno de grão 23

24 Formação do grão no resfriamento Algumas unidades de reticulado resfriam em pontos aleatórios do material. A quantidade de reticulados agrupados vai crescendo, o que faz surgir o que será o grão, porém, ainda contornado por líquido. Finalmente, a porção líquida se acaba, todos os átomos se aglomeram em grãos, determinando assim os contornos de grão. 24

25 Materiais de construção mecânica Propriedades dos Materiais 25

26 Propriedades dos Materiais Elasticidade Fragilidade Ductilidade Dureza Tenacidade Resistência Maleabilidade 26

27 Propriedades dos Materiais Elasticidade Ao aplicar uma força em uma peça de material elástico, ele se deforma. Porém, ao cessar este esforço, a peça volta a ter o seu formato inicial. Ex.: Molas e Borracha 27

28 Propriedades dos Materiais Fragilidade Ao sofrer um choque (impacto, aplicação de esforço de curto período e repentina), uma peça de material frágil tende a quebrar (romper-se). Logo, os materiais frágeis, tem baixa resistência aos choques. Ex.: Vidros e Ferro Fundido 28

29 Propriedades dos Materiais Ductilidade / Plasticidade É o oposto da Fragilidade. Ao sofrerem impactos, peças de materiais dúcteis se deformam e não se rompem. Para qualquer força que sofra, essa peça não retorna ao seu estado original: fica deformada. Ex.: Cobre e Massa de modelar 29

30 Propriedades dos Materiais Tenacidade É a propriedade mais apreciada em um M.C.M. Uma peça de material tenaz é aquela que ao sofrer grande esforço (impacto ou não), sofre pouca deformação elástica e não se rompe facilmente. Ex.: Aços-liga e Aços de Chave Allen 30

31 Propriedades dos Materiais Dureza Pode ser chamada de resistência ao desgaste ou à penetração. Essa propriedade aparece naquelas peças que não podem ser desgastadas ou deformadas na sua superfície. Ex.: Aços-Ferramenta Plainar Fresar 31

32 Propriedades dos Materiais Resistência É a oposição à mudança de forma. Um material pode se opor bem à tração (ser puxado ) e mal ao cisalhamento (ser cortado). Existem 6 tipos de resistência: Flexão, Cisalhamento, Torção, Tração, Flambagem e Compressão. 32

33 Propriedades dos Materiais Resistência 33

34 Propriedades dos Materiais Densidade É a concentração de material em um determinado volume. Um litro de água pesa 1 kg, mas nem todo líquido tem 1kg / litro. O mesmo acontece com os materiais. Unidades de medida: kg/dm 3, g/dm 3, kg/l 34

35 Propriedades dos Materiais Maleabilidade Propriedade que permite que um material seja transformado em chapas ou lâminas. 35

36 Materiais de construção mecânica Obtenção dos materiais ferrosos 36

37 Complexo siderúrgico 37

38 Obtenção dos materiais ferrosos Minério de Ferro: extraído do solo, é obtido em formato de óxidos de ferro ou carbonatos de ferro. Acompanha quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo e manganês. Minério Designação Fórmula Magnetita Hematita Roxa Hematita parda ou limonita Siderita Óxido Ferroso Férrico Óxido de Ferro Anidro Óxido de Ferro Hidratado Carbonato de Ferro Porcentagem de Ferro (%) Fe 3 O 4 60 ~ 70 Fe 4 O 3 40 ~ 60 2Fe 2 O 3 + 3H 2 O 20 ~ 45 FeCO 3 30 ~ 45 38

39 Obtenção dos materiais ferrosos Minérios 39

40 Sinterização 40

41 Sinterização 41

42 Redução do Minério de Ferro no Alto Forno Após a limpeza do minério (separar as impurezas: argila e quartzo), o minério de ferro é britado (quebrado em pedregulhos) e compactado em briquetes (tijolos) Em seguida, leva-se o minério ao Alto Forno, um equipamento com altura de até 80 metros e diâmetro de aproximadamente 18 metros. No alto forno ocorre a redução do minério, que significa tirar oxigênio dele 42

43 Obtenção do ferro gusa líquido - Alto Forno 43

44 ferro gusa líquido 44

45 Fundente MCM Como funciona o Alto Forno Oxigênio é prejudicial deve ser retirado (redução). Ocorrem reações de desoxidação do minério. Coque: Carvão Mineral fornece o carbono para a redução. Calcário desagrega o fósforo, o silício e o enxofre (parcialmente) Altas temperaturas - Fundente 45

46 Interior do alto forno 46

47 Como funciona o Alto Forno Os óxidos de ferro sofrem redução (o oxigênio é eliminado do minério de ferro); A ganga se funde (as impurezas do minério se derretem); O ferro-gusa se funde (torna-se líquido); O carbono é incorporado ao ferro-gusa líquido (o ferro-gusa sofre carbonetação); Certos elementos da ganga são parcialmente reduzidos (algumas impurezas são incorporadas ao ferro-gusa líquido). As reações de redução, carbonetação e fusão geram dois produtos líquidos: a escória e o ferro-gusa que são empurrados para os lados pelos gases que estão subindo. 47

48 Como funciona o Alto Forno Ao sair do alto-forno, o ferro-gusa líquido é transportado por carros torpedos. fundição (para ser usado na fabricação de ferros fundidos); aciaria (na qual pode ser misturado com sucatas de aço ou com outros metais, para se transformar em aço. 48

49 Esquema do complexo industrial 49

50 O que é o Ferro Gusa O ferro gusa é uma liga de ferro com: 5 a 6% de Carbono 3% de Silício 6% de Manganês Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%) Suas características: O gusa é o pré-produto do ferro fundido e do aço. É muito frágil (quebradiço), não pode ser soldado nem forjado. Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%). Não é usado como M.C.M., e sim para dar origem ao Aço e ao FoFo. 50

51 Ferro Fundido Obtenção Feito na segunda fusão do Ferro Gusa em Forno Cubilot ou Forno Elétrico (menos usado), o Ferro Fundido é uma liga com de 2,0 a 4,5% de Carbono. Maioria da Carga de Sucata de Aço (baixo carbono na composição); Lingotes de ferro Gusa Sucata de Ferro Fundido; Coque Fundente PODE SER USADO NA PRODUÇÃO DE PEÇAS MATERIAL MAIS PURO E COM MENOS CARBONO ( FERRO FUNDIDO ) MAIOR SOLDABILIDADE (CAPACIDADE DE SER SOLDADO) MAIOR MOLDABILIDADE (CAPACIDADE DE SER FUNDIDO) PONTO DE FUSÃO MENOR GRÃOS MAIS FINOS E UNIFORMES 51

52 Ferro Fundido Obtenção no Forno Cubilot Forno Cubilot: Forno usado na segunda fusão do gusa, para se obter o FoFo Altura: aprox 8m Diâmetro interno: aprox 1m Parte interna revestida de material refratário Parte externa revestida de aço Dutos próprios para a injeção de oxigênio (redução de carbono)] Saída do Ferro Fundido liquefeito por baixo 52

53 Ferro Fundido Obtenção no Forno Cubilot 53

54 Ferro Fundido Tipos e Características Os tipos de Ferro fundido varia em função de como o carbono está combinado na estrutura: Combinado com o ferro, formando a CEMENTITA Separado do ferro, formando VEIOS DE CARBONO - GRAFITE Maior teor de: Silício, com resfriamento mais lento Mais Grafite FoFos CINZENTOS Manganês, com resfriamento mais rápido Mais Cementita FoFos BRANCOS e FoFos MALEÁVEIS 54

55 Ferro Fundido Cinzento Lamelar Apresenta veios de grafite na sua estrutura, dado o alto teor de silício e a baixa velocidade de resfriamento CARACTERÍSTICAS Presença dos Veios de grafite de forma de lamelas: FoFo LAMELAR Custo baixo Fácil fundição (baixa temperatura de fusão) Pouca contração na solidificação Baixa porosidade Boa usinabilidade Grande resistência à compressão e impacto Baixa resistência a tração Boa capacidade de deslizamento (grafite lubrifica o contato) Usado na construção de estruturas de máquinas 55

56 Ferro Fundido Cinzento Nodular Obtido ao se adicionar ligas de magnésio na produção do FoFo Lamelar, as lamelas se transformam em nódulos (ou glóbulos) CARACTERÍSTICAS As mesmas do FoFo Lamelar, porém com aumento de: Presença dos nódulos: FoFo NODULAR Resistência a corrosão (agentes químicos) Resistência ao calor Resistência a tração, flexão e alongamento E diminuição da resistência a compressão. Usado na construção de tubos de grandes diâmetros para gás e água, máquinas agrícolas, blocos de motores, bombas e turbinas. 56

57 Ferro Fundido Branco ou Duro Aqui, o carbono está ligado ao ferro em forma molecular. Essa molécula se chama Cementita: Fe 3 C CARACTERÍSTICAS Alta Dureza e Resistência ao desgaste Baixa resistência ao impacto Alta resistência a compressão Baixa usinabilidade Má capacidade de deslizamento (o carbono não está solto na estrutura) Usado em peças que necessitam de alta resistência ao desgaste, como ferramentas de estampo, cilindros de laminação, pás de escavadeiras, etc. 57

58 Ferro Fundido Maleável Branco A partir da MALEABILIZAÇÃO, que consiste na retirada de carbono do FoFo branco através de reações químicas com Óxidos de Ferro granulados, obtém-se o FoFo Maleável ( queda de 4,0 para 1,5% C) A peça só é tratada em, no máximo, 15 mm de espessura Peças espessas apresentam núcleo de FoFo Branco, enquanto as pequenas, são totalmente maleabilizadas No núcleo da peça espessa, as características do FoFo Branco permanecem, enquanto na superfície, a dureza diminui. Tem excelente fluidez quando líquido. A maleabilização é feita quando se deseja que uma peça tenha uma camada superficial (de até 12mm) com menos fragilidade. 58

59 Processos de fundição 59

60 Resumo 60

61 Ferros Fundidos Outras técnicas Velocidade de resfriamento varia Tipo de FoFo altera-se. Na Produção de Rodeiros (rodas de trem), procura-se resfriar mais rapidamente a região externa da peça e mais lentamente o centro. Isso faz com que a periferia da peça seja de FoFo Branco e o centro seja de FoFo Cinzento. Ao recozer (fazer o recozimento, que é um tratamento térmico) o FoFo Branco, a Cementita se decompõem em grafite e ferro puro (ou quase). Isso maleabiliza a peça toda. Obtém-se o que chamamos de FoFo Maleável Preto. 61

62 Aplicações dos Ferros Fundidos 62