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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IATAT--096096

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

ATAT--096096

Dr. Alan Dr. Alan SulatoSulato de Andrade de Andrade

[email protected]@ufpr.br

MATERIAIS METÁLICOSMATERIAIS METÁLICOS


INTRODUÇÃO:

� Como visto anteriormente, existe uma grandevariedade de materiais que podem apresentarpropriedades interessantes para serem aplicados napropriedades interessantes para serem aplicados naárea de engenharia, porém a grande variedade demateriais pode gerar algumas dúvidas para oengenheiro iniciante.


INTRODUÇÃO:

� Na construção de componentes específicos oumáquinas complexas é necessário a utilização dealguns materiais, na grande maioria das vezes,alguns materiais, na grande maioria das vezes,materiais metálicos, devido principalmente a suaspropriedades. Devemos entender que aspropriedades dos materiais podem definir tanto odesempenho de um determinado componentequanto o processo de fabricação do mesmo.


INTRODUÇÃO:

� Assim, levando em consideração um númeroextremamente grande de materiais metálicosdiferentes, contando ainda com suas variantes dediferentes, contando ainda com suas variantes detratamento térmico e composição, podemosperguntar: Como definir qual o melhor material paraum determinado fim? Alguns pontos a seremconsiderados inevitavelmente serão em relação aocusto, o tempo de vida ou durabilidade, a aparênciae a finalidade.


INTRODUÇÃO:

� Este documento mostrará de maneira resumida,informações gerais e diretrizes para o engenheiro demodo que ele possa conhecer quais são osmodo que ele possa conhecer quais são osprincipais tipos de materiais metálicos que podemser empregados em uma dada situação do projeto.


INTRODUÇÃO:

� Foi na Idade dos Metais, período que seguiu à Idadeda Pedra que homem começava a dominar, aindaque de maneira rudimentar, a técnica da fundiçãoque de maneira rudimentar, a técnica da fundiçãodos metais.

� Assim este teve condições de criar instrumentosmais eficazes para o cultivo agrícola, exploração dasflorestas e a prática da caça, além da influênciadireta sobre disputas e guerras.


INTRODUÇÃO:

� O primeiro tipo de metal utilizado foi o cobre. Com opassar dos anos o estanho também foi utilizadocomo outro recurso na fabricação de armas ecomo outro recurso na fabricação de armas eutensílios. Com a junção desses dois metais, porvolta de 3000 a.C., houve o aparecimento do bronze.

� Só muito tempo depois é que se tem notícia dadescoberta do ferro. Manipulado por comunidades daÁsia Menor, cerca de 1500 a.C., o ferro teve um lentoprocesso de propagação. Isso se deu porque astécnicas de manipulação da liga de ferro eram dedifícil aprendizado.


INTRODUÇÃO:

� O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem naatualidade, com mais de 90% em peso da produçãomundial dos metais. A abundância deste mineral, ocusto relativamente baixo de produção e as múltiplasmundial dos metais. A abundância deste mineral, ocusto relativamente baixo de produção e as múltiplaspropriedades físico-químicas que podem ser obtidascom adição de outros elementos de liga são fatoresque dão a este metal uma extensa variedade deaplicações.


INTRODUÇÃO:

� Alguns metais, como o cobre e alumínio porexemplo, podem ser usados no estado quimicamentequase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro.No uso prático, este metal está sempre ligado aoquase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro.No uso prático, este metal está sempre ligado aocarbono e a outros elementos e, assim, no âmbito daciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como umaliga dos elementos químicos ferro, carbono e outros.


INTRODUÇÃO:

� Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,0%,contendo outros elementos residuais do processo deprodução e podendo conter outros elementos de ligacontendo outros elementos residuais do processo deprodução e podendo conter outros elementos de ligapropositalmente adicionados. Se o aço não contémestes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é adesignação genérica para ligas de ferro-carbono comteores de carbono acima de 2,0%.


ESTRUTURA:

� Como os demais metais, se solidifica pela formaçãode cristais, que vão crescendo a diferentes direções,formando os denominados eixos de cristalização. Apartir de um eixo principal, crescem eixosformando os denominados eixos de cristalização. Apartir de um eixo principal, crescem eixossecundários, que por sua vez se desdobram emnovos eixos e assim por diante até que toda a massado metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixoprincipal e secundários de um cristal é denominadodendrita.


ESTRUTURA:

Esquema estrutural de uma dentrita


ESTRUTURA:

� Quando duas dendritas se encontram, origina-se umasuperfície de contato e ao término do processo decristalização, formam cada uma as partículas quecompõem o metal, de modo que todos os metais, apóscristalização, formam cada uma as partículas quecompõem o metal, de modo que todos os metais, apóssua solidificação completa, são constituídos deinúmeras partículas fundamentais, justapostas eunidas.

Esquema demonstrando inúmeras partículas fundamentais justapostas


ESTRUTURA:

União de partículas fundamentais


ESTRUTURA:

Estados de Alotropia ou polimorfismo: é a propriedade que certos metais (como o ferro) apresentam ao possuírem reticulados cristalinos

diferentes conforme a temperatura.


PRODUÇÃO:

� A usina siderúrgica é a empresa responsável pelatransformação do minério de ferro em aço, de maneiraque ele possa ser usado comercialmente. Esteprocesso tem o nome de Redução. Primeiramente, oque ele possa ser usado comercialmente. Esteprocesso tem o nome de Redução. Primeiramente, ominério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO)– é aquecido em fornos especiais (alto fornos), empresença de carbono (sob a forma de coque oucarvão vegetal) e de fundentes (que são adicionadospara auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, éformada de materiais indesejáveis ao processo defabricação).


PRODUÇÃO:

� O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo oteor de oxigênio da composição FeO. A partir disso,obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após umaobtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após umaanálise química do ferro, em que se verificam osteores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganêsentre outros elementos, o mesmo segue para umaunidade da siderúrgica denominada aciaria, onde seráfinalmente transformado em aço.


PRODUÇÃO:

� O aço, por fim, será o resultado da descarbonataçãodo ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste,controlando-se o teor de carbono para no máximo2,0%. O que temos então, é uma liga metálicacontrolando-se o teor de carbono para no máximo2,0%. O que temos então, é uma liga metálicaconstituída basicamente de ferro e carbono, além decertos elementos residuais resultantes de seuprocesso de fabricação.


PRODUÇÃO:


AÇO:

� Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanhoe uniformidade das partículas que o compõem e, éclaro, por sua composição química. Esta pode seralterada em função do interesse de sua aplicaçãoclaro, por sua composição química. Esta pode seralterada em função do interesse de sua aplicaçãofinal, obtendo-se através da adição de determinadoselementos químicos, aços com diferentes graus deresistência mecânica, soldabilidade, ductilidade,resistência à corrosão, entre outros.


AÇO:

� Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantessão classificados em:

� Aço baixa liga.� Aço alta liga.


AÇO:

� Dependendo do seu conteúdo em carbono os açossão classificados em:

� Aço baixo em carbono.� Aço médio em carbono.� Aço alto em carbono.


AÇO:

2,0


AÇO:

� Aço baixo em carbono. Contém menos de 0,25% decarbono em peso. São utilizados em veículos,tubulações, elementos estruturais e outros. Tambémtubulações, elementos estruturais e outros. Tambémexistem os aços de alta resistência com baixa liga decarbono, entretanto, contêm outros elementosfazendo parte da composição, até uns 10% em peso;apresentam uma maior resistência mecânica epodem ser trabalhados facilmente.


AÇO:

� Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% decarbono em peso. Para melhorar suas propriedadessão tratados termicamente. São mais resistentes quesão tratados termicamente. São mais resistentes queos aços baixo em carbono, porém menos dúcteis,sendo empregados em peças de engenharia querequerem uma alta resistência mecânica e aodesgaste.


AÇO:

� Aço alto em carbono. Entre 0,6% e 2,0% de carbonoem peso. São os mais resistentes, entretanto, osmenos dúcteis. Adicionam-se outros elementos paramenos dúcteis. Adicionam-se outros elementos paraque formem carbetos, por exemplo, formando ocarbeto de tungstênio. Estes carbetos são maisduros, formando aços utilizados principalmente paraa fabricação de ferramentas.


AÇO:

� De maneira geral, os aços possuem excelentespropriedades mecânicas: resistem bem à tração, àcompressão, à flexão, e como é um materialhomogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado,compressão, à flexão, e como é um materialhomogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado,estriado e suas propriedades podem ainda sermodificadas por tratamentos térmicos ou químicos,estes vistos mais adiante.


AÇO:


FERRO FUNDIDO

� O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono-silício, deteores de carbono acima de 2,0%, essa quantidadede carbono é superior à que pode ser retida emde carbono é superior à que pode ser retida emsolução sólida na austenita, desta forma, no ferrofundido há carbono parcialmente livre. O carbonolivre se apresenta na forma de veios ou lamelas degrafita.


FERRO FUNDIDO

� Dentro da denominação geral de "ferro fundido",podem ser distinguidos os seguintes tipos de liga:� Ferro fundido cinzento,� Ferro fundido cinzento,� Ferro fundido branco,� Ferro fundido misto,� Ferro fundido maleável,� Ferro fundido dúctil ou nodular.


FERRO FUNDIDO

Misto


FERRO FUNDIDO CINZENTO

� Nesse tipo de material, a fratura apresenta umacoloração escura (onde a sua denominação). Essafratura é caracterizada por apresentar comofratura é caracterizada por apresentar comoelementos de liga fundamentais o carbono e o silício.Uma parcela relativamente grande do carbono estáno estado livre (grafita lamelar) e outra parcela noestado combinado (Fe3C).


FERRO FUNDIDO CINZENTO

� A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentosestá compreendida entre os seguintes valores:Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês:Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês:0,3 a 1,0%; Fósforo: 0,1 a 1,0%; Enxofre: 0,05 a0,25%.

Exemplo de dispositivos construídos com ferro fundido cinzento


PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

� Nesse tipo de material, a resistência mecânica estaassociada ao tamanho da peça. Para uma dadaconcentração de carbono total e silício há umaconcentração de carbono total e silício há umatendência de modificação da resistência mecânica.Em peças finas tende haver uma maior concentraçãode carbono e silício. Em peças espessas, a quantidadedesses elementos dever ser reduzida sob a pena dequeda da dureza e do limite de resistência à tração.


APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

� Possuí aplicações diversas pelas suascaracterísticas.Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicadosPela usinabilidade e fundibilidade, são indicadospara: bases de máquinas, carcaças metálicas,elementos estruturais de máquinas operatrizes comobarramentos, cabeçotes, mesas, etc;



� Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados:Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunasde máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;



� Outras aplicações do material:confecção de anéis de pistão, produtos sanitários,tampas de poços de inspeção, tubos, conexões,tampas de poços de inspeção, tubos, conexões,carcaças de compressores, rotores, pistõeshidráulicos, eixos de comando


FERRO FUNDIDO BRANCO

� Nesse tipo de material, a fratura apresenta umacoloração clara, essa coloração é característica do fatode que o carbono se encontra quase que inteiramentede que o carbono se encontra quase que inteiramentecombinado na forma de Fe3C (cementita). Isso ocorredevido as condições de fabricação e ao menor teor desilício.


PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO BRANCO

� Suas características principais são a elevada dureza eresistência ao desgaste e uma baixa usinabilidade(mesmo com as melhores condições e materiais de(mesmo com as melhores condições e materiais decorte).


APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO

� Para cada tipo de aplicação há composições típicaspara o ferro fundido branco, isto devido a suascaracterísticas mecânicas. O ferro fundido branco écaracterísticas mecânicas. O ferro fundido branco érecomendado para as seguintes aplicações:revestimentos de moinhos; bolas para moinhos debola; cilindros para laminação de borracha, vidro,linóleo, plásticos e metais; rodas de vagões; peçaspara equipamentos para britamento de minérios,moagem de cimento;


APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO


FERRO FUNDIDO MISTO

� Consiste em uma mistura dos ferros cinzento ebranco, visando melhorar alguma característica,possuindo assim composição bem variada.possuindo assim composição bem variada.


FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� O ferro fundido maleável é considerado um materialintermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento.Apresenta as características fundamentais do ferroApresenta as características fundamentais do ferrofundido aliada às propriedades mecânicas de aços debaixo e médio carbono e com uma ductibilidaderazoável. A resistência à corrosão é muito boa devidoàs características superficiais que se originam nosprocessos de maleabilização


FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� Processos de maleabilizacãoHá dois processos de maleabilizacão do ferro fundidobranco. O primeiro é um processo de descarbonelaçãobranco. O primeiro é um processo de descarbonelaçãoe que origina um ferro fundido maleável de núcleobranco (desenvolvido na Europa).O segundo é o processo de maleabilizacão porgrafitização e que origina o ferro fundido maleável denúcleo preto (desenvolvido na EUA).


APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� O ferro fundido maleável apresenta um vasto campode aplicação nas industrias: mecânica, elétrica,automobilística, de materiais de construção,automobilística, de materiais de construção,equipamentos pesados. É muito utilizado na confecçãode peças como: conexões para tubulações hidráulicas,conexões de linhas de transmissão elétrica, correntes,suportes de molas, caixas de direção e de diferencial,cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freios ede embreagens, colares de tratores. caixas deengrenagens, etc.


FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR

� É caracterizado por apresentar carbono livre na formade grafita esferoidal. Grafita esferoidal o que confereao material uma boa ductibilidade. Esse tipo deao material uma boa ductibilidade. Esse tipo deestrutura é obtido com um tratamento realizado aindano estado líquido, adicionando-se ligas contendomagnésio, cério, cálcio, lítio, sódio e bário.O ferro fundido de origem possui uma composiçãosemelhante à do ferro fundido cinzento comum ou combaixo teor de liga.



� Processo de nodulizacãoNesse processo, o magnésio age como inibidor dagrafitização, de curta duração, de modo que o ferrografitização, de curta duração, de modo que o ferrofundido solidifica inicialmente formando cementita.Quando cessa a ação do magnésio, a cementitacomeça a decompor-se e origina uma grafita que sedesenvolve em todas as direções, adquirindo umaforma próxima da esférica.



� Processo de nodulizacãoUm tratamento térmico de recozimento e normalizaçãodecompõe a cementita em ferrita e produz mais grafitadecompõe a cementita em ferrita e produz mais grafitaesferoidal. O recozimento também alivia as tensões ea normalização produz melhores propriedadesmecânicas.


APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO DÚCTIL OUNODULAR

� As aplicações típicas desse tipo de aço são:compressores; bielas. peças que necessitem decompressores; bielas. peças que necessitem deresistência ao choque como: virabrequins, mancais;polias; rodas dentadas; engates: sapatas; tambores defreios.


AÇÃO DOS LIGANTES

� Principais elementos de liga:� Cobre (até 3%) � Cromo � Fósforo� Fósforo� Molibdênio� Níquel� Vanádio


AÇÃO DOS LIGANTES

� Aplicações:� Resistentes à corrosão:� Alto Si� Alto Cr� Alto Cr� Alto Ni� Alto Si - usado como recipiente para ácidos

corrosivos� Alto Cr - apresenta excepcional resistência ao ácido

nítrico e ácidos oxidando em geral e à atmosférica.� Alto Ni - resistentes ao calor:


RESUMINDO

� Até 1% C – Aços mais usados na indústria� 1 a 1,5% C – Aços para ferramentas especiais� 1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins� 1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins

específicos)� 2,5 a 3,8% C – Ferros fundidos mais utilizados� 3,8 a 6,7% C – Ferros fundidos pouco usados

(especiais)


RESUMINDO

� Ferro fundido cinza menos duros e mais frágeis do queFerro fundido branco

� Ferro fundido cinza pode sofrer acabamento posterior� Ferro fundido branco pode sofrer acabamento� Ferro fundido branco pode sofrer acabamento

posterior com ferramentas especiais e com dificuldade� Ferro fundido cinzento tem boa resistência à corrosão� Ferro fundido cinzento tem capacidade de amortecer

vibrações� Ferro fundido cinzentos são mais usados que o Ferro

fundido branco� Ferro fundido branco é mais usado em peças que

exijam alta dureza e resistência ao desgaste.


ALUMÍNIO

� A principal vantagem do alumínio está no fato de elenão enferrujar, e, portanto, estar livre de problemascom a umidade e maresia. É leve e tem boascom a umidade e maresia. É leve e tem boaspropriedades mecânicas. A têmpera é primordial paraa qualidade das peças. Uma desvantagem é quanto adificuldade de soldagem, e quando soldada, perde50% de suas propriedades mecânicas, pois ocorre adestempera.


ALUMÍNIO

� O alumínio funde a uma temperatura em torno de660°C e em condutibilidade elétrica e térmicaexcelente. Forma ligas importantes com diversosexcelente. Forma ligas importantes com diversosmetais, nas quais se podem conseguir diversaspropriedades. Ex: duralumínio (alumínio + cobre +magnésio) de grande resistência mecânica e leveza.


ALUMÍNIO

� Sua densidade é aproximadamente de um terço da doaço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e aptopara a mecanização e para a fundição, além de terpara a mecanização e para a fundição, além de teruma excelente resistência à corrosão e durabilidadedevido à camada protetora de óxido.


ALUMÍNIO


COBRE

� É um metal de cor avermelhada, dúctil e maleável,embora duro e tenaz. Pode ser reduzido a lâminas efios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamentefios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamentede uma camada de óxido e carbonato. Tem grandecondutibilidade térmica e elétrica, densidade entre 8,6e 8,95 Kg/m³.


COBRE

� Bom condutor de eletricidade e de calor. Suaresistência e módulo de deformação são menores doque o dos aços, mas as suas propriedades o tornamque o dos aços, mas as suas propriedades o tornamindicado para certos usos como condutores elétricos,tubos para trocadores de calor, peças que necessitamgrande ductibilidade e grande tenacidade. Largamenteempregado em instalações elétricas como condutor;em instalações de água, esgotos, gás, pluviais,coberturas, forrações, ornatos, etc.


COBRE


EXERCÍCIO

Desafio 5:Faça um levantamento dos principais materiaismetálicos necessários na construção de câmaras desecagem utilizadas na industria madeireira.secagem utilizadas na industria madeireira.Faça um croqui detalhando do sistema proposto alémde explicar as propriedades que justificam a escolhados materiais.

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