Profª Janaína Araújo Profª Juliana Casali MATERIAIS METÁLICOS Revisado por prof. Adalberto Matoski.

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1 Profª Janaína Araújo Profª Juliana Casali MATERIAIS METÁLICOS Revisado por prof. Adalberto Matoski

2 1. METAIS FERROSOS Ferro –Não é encontrado puro na natureza. Encontra- se geralmente combinado com outros elementos formando rochas as quais dá-se o nome de MINÉRIO.

3 Minério de ferro –Retirado do subsolo, porém muitas vezes é encontrado exposto formando verdadeiras montanhas. –Principais minérios: Hematita e Magnetita. –Para retirar as impurezas, o minério é lavado, partido em pedaços menores e em seguida levados para a usina siderúrgica.

4 Ferro  Normalmente encontrado na forma de minérios, como hematita (Fe 2 O 3 ) e pirita (FeS 2 ).  A obtenção do ferro a partir de seus minérios ocorre nos alto-fornos, em presença de carbono (carvão).

5 Ferro

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8 1. METAIS FERROSOS Obtenção do ferro gusa –Na usina, o minério é derretido num forno denominado ALTO FORNO. –No alto forno, já bastante aquecido, o minério é depositado em camadas sucessivas, intercaladas com carvão coque (combustível) e calcário (fundente) –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 1200ºC derrete o minério.

9 1. METAIS FERROSOS Obtenção do ferro gusa –O ferro ao derreter-se deposita-se 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. –Através de duas aberturas especiais, em alturas diferentes são retiradas, primeiro a escória e em seguida o ferro-gusa que é despejado em panelas chamadas CADINHOS.

10 1. METAIS FERROSOS Obtenção do ferro gusa –O ferro-gusa derretido 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. –A seguir são armazenados para receberem novos tratamentos, pois este tipo de ferro, nesta forma, é usado apenas na confecção de peças que não passarão por processos de usinagem.

11 1. METAIS FERROSOS Ferro fundido –Liga de ferro - carbono que contém de 2 a 4,5% de carbono. O ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono do ferro gusa. É portanto um ferro de segunda fusão. –O ferro fundido tem na sua composição maior porcentagem de ferro, pequena porcentagem de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo.

12 1. METAIS FERROSOS Aço –Um dos mais importantes materiais metálicos usados na indústria mecânica. É usado na fabricação de peças em geral. –Obtém-se o aço abaixando-se a porcentagem de carbono do ferro gusa. –A porcentagem de carbono no aço varia entre 0,05% a 1,7%.

13 1. METAIS FERROSOS Principais características do aço: –Pode ser trabalhado com ferramenta de corte; –Pode ser curvado; –Pode ser dobrado; –Pode ser forjado; –Pode ser soldado; –Pode ser laminado; –Pode ser estirado (trefilado); –Possui grande resistência à tração;

14 1. METAIS FERROSOS Aço carbono –São os que contém além do ferro, pequenas porcentagens de carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo. –Os elementos mais importantes do aço ao carbono são o ferro e o carbono. O manganês e silício melhoram a qualidade do aço, enquanto que o enxofre e o fósforo são elementos prejudiciais. A quantidade de carbono define a resistência do aço.

15 1. METAIS FERROSOS Formas comerciais do aço Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios. Vergalhões - são barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento posterior à laminação.

16 1. METAIS FERROSOS Formas comerciais do aço –Perfilados - São vergalhões laminados em perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.

17 1. METAIS FERROSOS –Chapas - São laminados planos, encontradas no comércio nos seguintes tipos: Chapas pretas - sem acabamento após a laminação, sendo muito utilizadas nas indústrias. Chapas galvanizadas - recebem após a laminação uma fina camada de zinco. São usadas em locais sujeitos a umidade, tais como calhas e condutores etc. Chapas estanhadas - também conhecidas como Folhas de Flandres ou latas. São revestidas com uma fina camada de estanho. São usadas principalmente na fabricação de latas de conservas devido sua resistência à umidade e corrosão.

18 Aço Carbono

19 1) Quanto à Composição Quimica Aços comuns (ao carbono) Aços especiais (liga)

20 2) Quanto ao Teor de Carbono Até 0,15% C – extra doce Baixo carbono De 0,15% C a 0,30%C – doce De 0,30%C a 0,50%C – meio doce Médio carbono De 0,50%C a 0,70%C – meio duro De 0,70%C a 0,80%C – duro Alto carbono Mais de 0,80% C – extra duro

21 Aços Baixo Carbono Usos: - perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos - construção civil, pontes - tubulações aços baixo carbono = baixas resistência e dureza altas tenacidade e ductilidade. (teor de carbono menor que 0,25%)

22 AÇO BAIXO CARBONO –Microestrutura de ferrita e perlita –Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes –Insensíveis a tratamentos térmicos –Custo mais baixo de produção –Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame...

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24 Aços Médio Carbono maior resistência e dureza que os baixo teor de C menor tenacidade e ductilidade que os baixo teor de C (teor de carbono 0,25% a 0,60%) Usos: - rodas e equipamentos ferroviários - engrenagens - virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica, resistência ao desgaste e boa tenacidade.

25 Aços Médio Carbono Utilizados na forma de martensita (fase extremamente dura mas frágil) temperada (tratamento térmico para aumentar tenacidade da martensita). Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal... Tratáveis termicamente A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos térmicos. Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes. Usos em molas, pistões, engrenagens...

26 Aços Alto Carbono Usos: - talhadeiras - folhas de serrote - martelos - facas maior resistência e dureza menor tenacidade e ductilidade (teor de carbono menor que 0,25%)

27 Aço Alto carbono Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis. Resistentes ao desgaste e mantém o fio. Se combinam com Cr, V e W para formar carbetos (Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e resistentes. Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas...

28 Aço Carbono

29 Processo de conformação Extrusão: sob pressão por orificio; Laminação: entre cilindros (quente ou frio); Trefilação: forçado a passar por orificios menores (processo de fieiras de arames); Fundição: solidifica em moldes (areia, argila e carvão); Forjamento: ação de martelos ou prensas no aço quente;

30 Processo de conformação Estampagem: prensas sobre chapas (peças ocas); Soldagem: juntar as peças; –Por pressão: aquecidas até o estado pastoso e ao mesmo tempo comprimidas entre si por compressão ou por martelamento; –Por fusão: fusão local das peças ou pela fusão de um metal ou liga introduzido entre as duas peças a soldar.

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33 Aço inoxidavel Composição: baixo teor de carbono (0.15%)+cromo (18%)+ niquel (aumenta a dureza 8%) Cementação superficial: cromo, carbono, niquel; Capeamento: cromagem, niquelagem, galvanização.

34 Aços para concreto armado Aços de dureza natural laminados a quente que não sofrem tratamento –laminação; Caracteristicas fisico-mecanica são alcançadas somente por composicao quimica com ligas de C, Mn, Si, Ni, Cr; Caracterizados por: –Acentuado patamar de escoamento; –Grandes deformações (alongamento 10-15%); –Boa soldabilidade;

35 Aços para concreto armado Aços com saliencia: Aumento da aderencia (engrenamento com o concreto); Padronização e normalização: –CA 24 A –“CA”= Concreto Armado; –“24” = tensao de escoamento kgf/mm2 –“A” = aço de dureza natural – A “B” = aço encruado a frio: B

36 Aços para concreto armado Barras de 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25, 32, 40 (diametro em mm) Fios de 3.2, 4.5, 6.3, 8, 10 (diamentro em mm); Barras: comprimento entre 10 e 12m Fios: em rolos de grande comprimento

37 Ligas Metálicas FerrosasNão Ferrosas Aços Ferros Fundidos Baixo Teor de Carbono Médio Teor de Carbono Alto Teor de Carbono Aço Inoxidável Ferro Cinzento Ferro Dúctil (nodular) Ferro Branco Ferro Maleável Alumínio Cobre Níquel Chumbo Perfis estruturais I e H, pontes, tubulações, cantoneiras e chapas em edificações Rodas e trilhos de trem, engrenagen s Ferramentas de corte, molas, arames de alta resistência Utensílios domésticos, equipamento s industriais e em edificações Fonte: Adaptado de Pannomi (2007)

38 PROPRIEDADES MECÂNICAS Definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.

39 Principais propriedades mecânicas Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade,.... Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las

40 Tipos de tensões que uma estrutura esta sujeita Tração Compressão Cisalhamento Torção

41 Como determinar as propriedades mecânicas? Feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova para o ensaio mecânico, não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal. Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

42 NORMAS TÉCNICAS Normas técnicas mais comuns: ASTM (American Society for Testing and Materials) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

43 Ensaios para determinação das propriedades mecânicas Resistência à tração Resistência à compressão Resistência à torção Resistência ao choque Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza

44 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento NBR-6152 para metais

45 Resistência À Tração Tensão (  ) X Deformação (  )  ) Deformação(  )= l f -l o /l o =  l/l o lo= comprimento inicial lf= comprimento final  = F/A o Kgf/cm 2 ou Kgf/mm 2 ou N/ mm 2 Força ou carga Área inicial da seção reta transversal

46 Comportamento dos metais quando submetidos à tração Resistência à tração Dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão (a lei de Hooke é obedecida) Lei de Hooke:  = E 

47 Deformação Elástica e Plástica DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Precede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) DEFORMAÇÃO PLÁSTICA É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível; é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Elástica Plástica

48 Módulo de elasticidade ou Módulo de Young E= /  =Kgf/mm 2 É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica Lei de Hooke:  = E  P A lei de Hooke só é válida até este ponto Tg = E 

49 O Fenômeno de Escoamento Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono. Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.

50 Tensão de escoamento Não ocorre escoamento propriamente dito Escoamento

51 Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial Resistência à Tração (Kgf/mm 2 )

52 O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura Tensão de Ruptura (Kgf/mm²)

53 Ductilidade em termos de alongamento ductilidade Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica %alongamento= (l f -l o /l o )x100

54 Ductilidade expressa como estricção Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura Estricção= área inicial-área final área inicial

55 Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (U r ) U r =  esc 2 /2E  esc Resiliência

56 Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas) Resiliência

57 Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura tenacidade Tenacidade

58 FRATURA Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material

59 FRATURA Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material

60 FRATURA Fraturas dúcteis Fratura frágil

61 Mecanismo da fratura dúctil a- formação do pescoço b- formação de cavidades c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada e- rompimento do material por propagação da trinca

62 FLUÊNCIA (CREEP) Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material

63 FLUÊNCIA (CREEP) Definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura

64 FADIGA É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas)

65 FADIGA Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: –Tração –Tração e compressão –Flexão –Torção,...

66 Continua