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2Tecnologia dos

Materiais e Industrial

Excelncia no ensino profi ssional

Administrador da maior rede estadual de educao pro ssional do pas, o Centro Paula Souza tem papel de destaque entre as estratgias do Governo de So Paulo para promover o desenvolvimento econmico e a incluso social no Estado, na medida em que capta as demandas das diferentes regies paulistas. Suas Escolas Tcnicas (Etecs) e Faculdades de Tecnolo-gia (Fatecs) formam pro ssionais capacitados para atuar na gesto ou na linha de frente de operaes nos diversos segmentos da economia.

Um indicador dessa competncia o ndice de insero dos pro ssionais no mercado de trabalho. Oito entre dez alunos formados pelas Etecs e Fatecs esto empregados um ano aps conclurem o curso. Alm da ex-celncia, a instituio mantm o compromisso permanente de democra-tizar a educao gratuita e de qualidade. O Sistema de Pontuao Acres-cida bene cia candidatos afrodescendentes e oriundos da Rede Pblica. Mais de 70% dos aprovados nos processos seletivos das Etecs e Fatecs vm do ensino pblico.

O Centro Paula Souza atua tambm na quali cao e requali cao de trabalhadores, por meio do Programa de Formao Inicial e Educao Continuada. E ainda oferece o Programa de Mestrado em Tecnologia, re-comendado pela Capes e reconhecido pelo MEC, que tem como rea de concentrao a inovao tecnolgica e o desenvolvimento sustentvel.

MecnicaVolume 2

MecnicaTecnologia dos

materiais e industrial

Antonio Carlos da Silva

Caio Avanzi(autores)

Douglas Borges Domingos

Edvaldo Angelo(coautores)

2011

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)(Bibliotecria Silvia Marques CRB 8/7377)

S586

Silva, Antonio Carlos daMecnica: tecnologia dos materiais e industrial / Antonio Carlos

da Silva, Caio Avanzi (autores); Douglas Borges Domingos, Edvaldo Angelo (coautores); Wanda Jucha (revisora); Meire Satiko Fukusawa Yokota (coordenadora). -- So Paulo: Fundao Padre Anchieta, 2011 (Coleo Tcnica Interativa. Srie Mecnica, v. 2)

Manual tcnico Centro Paula Souza

ISBN 978-85-8028-040-1

1. Mecnica -- tecnologia 2. Mecnica industrial I. Avanzi, Caio II. Domingos, Douglas Borges III. Angelo, Edvaldo IV. Jucha, Wanda V. Yokota, Meire Satiko Fukusawa VI. Ttulo

CDD 607

DIRETORIA DE PROJETOS EDUCACIONAISDireo: Fernando Jos de AlmeidaGerncia: Monica Gardelli Franco, Jlio MorenoCoordenao Tcnica: Maria Luiza GuedesEquipe de autoria Centro Paula SouzaCoordenao geral: Ivone Marchi Lainetti RamosCoordenao da srie Mecnica: Meire Satiko Fukusawa YokotaAutores: Antonio Carlos da Silva, Caio AvanziCoautores: Douglas Borges Domingos, Edvaldo AngeloReviso tcnica: Wanda JuchaEquipe de EdioCoordenao geral: Carlos Tabosa Seabra,

Rogrio Eduardo Alves

Coordenao editorial: Luiz MarinEdio de texto: Miguel Angelo FacchiniSecretrio editorial: Antonio MelloRevisora: Maria Carolina de AraujoDireo de arte: Bbox DesignDiagramao: LCT TecnologiaIlustraes: Luiz Fernando MartiniPesquisa iconogrfica: Completo IconografiaCapaFotografia: Eduardo Pozella, Carlos PiratiningaTratamento de imagens: Sidnei TestaAbertura captulos: James King-Holmes/Science Photo Library/SPL DC/Latinstock

Presidncia Joo Sayad

Vice-presidncia Ronaldo Bianchi, Fernando Vieira de Mello

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa oferece aos alunos da instituio contedo relevante formao tcnica, educao e cultura nacional, sendo tambm sua finalidade a preservao e a divulgao desse contedo, respeitados os direitos de terceiros.O material apresentado de autoria de professores do Centro Paula Souza e resulta de experincia na docncia e da pesquisa em fontes como livros, artigos, jornais, internet, bancos de dados, entre outras, com a devida autorizao dos detentores dos direitos desses materiais ou contando com a per-missibilidade legal, apresentando, sempre que possvel, a indicao da autoria/crdito e/ou reserva de direitos de cada um deles.Todas as obras e imagens expostas nesse trabalho so protegidas pela legislao brasileira e no podem ser reproduzidas ou utilizadas por terceiros, por qualquer meio ou processo, sem expressa autorizao de seus titulares. Agradecemos as pessoas retratadas ou que tiveram trechos de obras reproduzidas neste trabalho, bem como a seus herdeiros e representantes legais, pela colaborao e compreenso da finalidade desse projeto, contribuindo para que essa iniciativa se tornasse realidade. Adicionalmente, colocamo-nos disposio e solicitamos a comunicao, para a devida correo, de quaisquer equvocos nessa rea porventura cometidos em livros desse projeto.

GOVERNADORGeraldo Alckmin

VICE-GOVERNADORGuilherme Afif Domingos

SECRETRIO DE DESENVOlVIMENTO ECONMICO, CINCIA E TECNOlOGIA

Paulo Alexandre Barbosa

Presidente do Conselho Deliberativo Yolanda Silvestre

Diretora Superintendente Laura Lagan

Vice-Diretor Superintendente Csar Silva

Chefe de Gabinete da Superintendncia Elenice Belmonte R. de Castro

Coordenadora da Ps-Graduao, Extenso e Pesquisa Helena Gemignani Peterossi

Coordenador do Ensino Superior de Graduao Angelo Luiz Cortelazzo

Coordenador de Ensino Mdio e Tcnico Almrio Melquades de Arajo

Coordenadora de Formao Inicial e Educao Continuada Clara Maria de Souza Magalhes

Coordenador de Desenvolvimento e Planejamento Joo Carlos Paschoal Freitas

Coordenador de Infraestrutura Rubens Goldman

Coordenador de Gesto Administrativa e Financeira Armando Natal Maurcio

Coordenador de Recursos Humanos Elio Loureno Bolzani

Assessora de Comunicao Gleise Santa Clara

Procurador Jurdico Chefe Benedito Librio Bergamo

O Projeto Manual Tcnico Centro Paula Souza Coleo Tcnica Interativa, uma iniciativa do Governo do Estado de So Paulo, resulta de um esforo colaborativo que envolve diversas frentes de trabalho coordenadas pelo Centro Paula Souza e editado pela Fundao Padre Anchieta.A responsabilidade pelos contedos de cada um dos trabalhos/textos inseridos nesse projeto exclusiva do autor. Respeitam-se assim os diferen-tes enfoques, pontos de vista e ideologias, bem como o conhecimento tcnico de cada colaborador, de forma que o contedo exposto pode no refletir as posies do Centro Paula Souza e da Fundao Padre Anchieta.

Apresentao

A proposta deste material didtico permitir o acesso ao conhecimento e promover a discusso sobre tecnologia dos materiais e tecnologia industrial. Uma coletnea de assuntos da Engenharia Mecnica discutidos sob a tica do Ensino Tcnico.O profissional tcnico de Mecnica deve aprender a lidar com assuntos de en-genharia para trabalhar com suas diversas reas de conhecimento que afetam o dia a dia da organizao. Deve estar pronto para ocupar um lugar de destaque na empresa.Este livro rene conhecimentos em materiais, tecnologia industrial, projetos e manuteno.O estudo do processo de obteno dos materiais discutido nos captulos 1 a 4. Metalografia e tratamentos trmicos e superficiais so apresentados nos captu-los 5 e 6, respectivamente.Os captulos 7 e 8 so dedicados ao estudo da tecnologia industrial e envolvem teorias de administrao, processos de fabricao, planejamento e controle da produo e custos.J o captulo 9 aborda o projeto do produto. So algumas orientaes sobre como o tcnico deve proceder para elaborar um projeto de produto conforme normas tcnicas e dar apoio aos trabalhos da engenharia do produto.Montagem industrial de uma nova linha de fabricao ou um equipamento discutido no captulo 10. A montagem industrial a etapa final de qualquer plano de implantao, ampliao ou reforma de uma instalao industrial.Em especial, o captulo 11 dedicado manuteno de mquinas e equipamen-tos; como preservar o equipamento de paradas desnecessrias, considerando alguns princpios para tomada de deciso em manuteno. A manuteno uma funo de grande importncia na atividade industrial.Ao final do trabalho, a bibliografia de referncia rene autores especialistas em engenharia mecnica. uma lista que pode ajudar o leitor interessado em ampliar seu domnio de determinados assuntos, explorando-os mais detalhadamente.Os temas envolvidos no se esgotam neste material. Cabe ao leitor, sempre que possvel, ir alm e dedicar-se, tendo em vista a dinmica do conhecimento e a necessidade de manter-se em constante aprendizado visando a competitividade.Espera-se que alunos, professores e instituio possam interagir com harmonia nessa busca.

Bons estudos!

Os autores

Sumrio21 Captulo 1

Os materiais e suas propriedades1.1 Classificao dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.1.1 Grupos de materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.2 Propriedades dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.2.1 Propriedades mecnicas . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.2.2 Propriedades tecnolgicas . . . . . . . . . . . . . 29

1.2.3 Propriedades trmicas . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.2.4 Propriedades eltricas . . . . . . . . . . . . . . . . 31

1.2.5 Propriedades eletromagnticas . . . . . . . . . 32

1.2.6 Propriedades fsicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.2.7 Propriedades qumicas . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.3 Estrutura dos materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.3.1 Materiais cristalinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.3.2 Materiais amorfos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.4 Materiais metlicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

1.4.1 Estrutura cristalina dos metais . . . . . . . . . . 35

1.4.2 Metais ferrosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

37 Captulo 2Aos e ferros fundidos2.1 Obteno dos aos e do ferro fundido . . . . . . . . 38

2.1.1 Usinas integradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.2 Matria-prima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.1.3 Operaes siderrgicas . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.1.4 Usinas mini-mills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2 Diagrama ferro-carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.2.1 Fases do diagrama ferro-carbono . . . . . . . 47

2.2.2 Linhas do diagrama ferro-carbono . . . . . . 48

2.3 Aos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.1 Ao-carbono ou ao comum . . . . . . . . . . . 49

2.3.2 Aos-liga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.3.3 Aos especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.3.4 Aos inoxidveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.3.5 Aos rpidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3.6 Aos para ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.4 Ferros fundidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.4.1 Ferro fundido cinzento . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4.2 Ferro fundido branco . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.4.3 Ferro fundido malevel . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.4.4 Ferro fundido nodular . . . . . . . . . . . . . . . . 62

63 Captulo 3Metais no ferrosos3.1 O alumnio e suas ligas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.1.1 Sries de ligas trabalhveis . . . . . . . . . . . . . 66

3.1.2 Ligas de fundio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2 Cobre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3 O magnsio e suas ligas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.4 O titnio e suas ligas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.5 O chumbo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.6 O zinco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.7 O estanho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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2Tecnologia dos

Materiais e Industrial

Excelncia no ensino profi ssional

Administrador da maior rede estadual de educao pro ssional do pas, o Centro Paula Souza tem papel de destaque entre as estratgias do Governo de So Paulo para promover o desenvolvimento econmico e a incluso social no Estado, na medida em que capta as demandas das diferentes regies paulistas. Suas Escolas Tcnicas (Etecs) e Faculdades de Tecnolo-gia (Fatecs) formam pro ssionais capacitados para atuar na gesto ou na linha de frente de operaes nos diversos segmentos da economia.

Um indicador dessa competncia o ndice de insero dos pro ssionais no mercado de trabalho. Oito entre dez alunos formados pelas Etecs e Fatecs esto empregados um ano aps conclurem o curso. Alm da ex-celncia, a instituio mantm o compromisso permanente de democra-tizar a educao gratuita e de qualidade. O Sistema de Pontuao Acres-cida bene cia candidatos afrodescendentes e oriundos da Rede Pblica. Mais de 70% dos aprovados nos processos seletivos das Etecs e Fatecs vm do ensino pblico.

O Centro Paula Souza atua tambm na quali cao e requali cao de trabalhadores, por meio do Programa de Formao Inicial e Educao Continuada. E ainda oferece o Programa de Mestrado em Tecnologia, re-comendado pela Capes e reconhecido pelo MEC, que tem como rea de concentrao a inovao tecnolgica e o desenvolvimento sustentvel.

Capa: Luiz Gustavo Celestino Cintra, aluno do Centro Paula Souza Foto: Eduardo Pozella e Carlos Piratininga

Sumrio77 Captulo 4

Polmeros, cermicos e compsitos4.1 Materiais polimricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.1 Plsticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.2 Elastmeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2 Materiais cermicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.3 Materiais compsitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

87 Captulo 5Tratamento trmico dos materiais metlicos5.1 Tratamento trmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.1.1 Recozimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5.1.2 Normalizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.1.3 Tmpera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.4 Austmpera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1.5 Martmpera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.1.6 Revenimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2 Tmpera superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.1 Aquecimento por indutor . . . . . . . . . . . . . 96

5.2.2 Aquecimento por chama . . . . . . . . . . . . . . 97

5.3 Tratamentos termoqumicos . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3.1 Cementao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.3.2 Carbonitretao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.3.3 Nitretao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.3.4 Boretao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

103 Captulo 6Metalografia6.1 Macrografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.1.1 Preparao dos corpos de prova

para macrografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.1.2 Micrografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

113 Captulo 7Tratamento de superfcies7.1 A limpeza e a remoo de impurezas . . . . . . . . 115

7.1.1 Desengraxamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.1.2 Decapagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7.2 Galvanoplastia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

7.3 Pinturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

7.3.1 Pintura eletrosttica a p . . . . . . . . . . . . . 119

7.3.2 Pintura lquida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

121 Captulo 8Teorias da administrao8.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

8.2 Caracterizao do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . 124

8.2.1 O trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

8.2.2 Evoluo tecnolgica no

mundo do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

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Sumrio8.3 O que administrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

8.3.1 Teoria da administrao cientfica . . . . . . 129

8.3.2 Teoria clssica da administrao . . . . . . . 132

8.3.3 Escola comportamental . . . . . . . . . . . . . . 135

8.3.4 Escola quantitativa ou pesquisa

operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

8.4 Concluses do captulo sobre teorias da

administrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

139 Captulo 9A organizao industrial9.1 A organizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

9.1.1 Classificao da organizao . . . . . . . . . . . 141

9.1.2 Evoluo das empresas . . . . . . . . . . . . . . . 145

9.1.3 Estrutura organizacional . . . . . . . . . . . . . . 147

9.1.4 A organizao estratgica da empresa . . . 150

9.2 A produo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

9.2.1 Produto e servio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

9.2.2 O processo de produo . . . . . . . . . . . . . 153

9.2.3 A importncia e os objetivos da

produo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

9.2.4 Estratgia e competitividade . . . . . . . . . . 154

9.2.5 Planejamento e controle da produo . . . 155

9.2.6 A fabricao dos produtos . . . . . . . . . . . . 173

9.3 O custeio dos produtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.3.1 O preo dos produtos . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.3.2 O custo industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

9.3.3 A contabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.3.4 Custo de fabricao de um produto . . . . 180

9.3.5 Clculo do ponto de equilbrio . . . . . . . . 182

9.3.6 Clculo da massa dos produtos . . . . . . . . 183

9.4 Desenvolvimento de novos produtos . . . . . . . . 184

9.5 Desenvolvimento de novos fornecedores . . . . . 185

9.6 Gesto da qualidade total . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

9.6.1 O ambiente da manufatura enxuta e

o fator qualidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

9.6.2 Definies de qualidade . . . . . . . . . . . . . . 187

9.6.3 Gesto da qualidade total . . . . . . . . . . . . 188

9.6.4 Qualidade total em servios . . . . . . . . . . . 188

9.6.5 Ferramentas da qualidade . . . . . . . . . . . . 188

201 Captulo 10Tecnologia e projetos10.1 Definies de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

10.2 Ciclo de vida do projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

10.2.1 Iniciao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.2.2 Planejamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.2.3 Execuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.2.4 Encerramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10.3 Tipos de projetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

10.3.1 Projeto por evoluo . . . . . . . . . . . . . . . 205

10.3.2 Projeto por inovao . . . . . . . . . . . . . . . 205

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Sumrio10.4 Projetos de produtos industriais . . . . . . . . . . . 206

10.4.1 Interesse pelo projeto . . . . . . . . . . . . . . 206

10.4.2 Pr-projeto ou anteprojeto . . . . . . . . . . 206

10.4.3 Projeto detalhado . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

10.4.4 Testes e reviso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

10.4.5 Planejamento do processo produtivo . . 207

10.4.6 Estudos de logstica . . . . . . . . . . . . . . . . 208

10.4.7 Planejamento do consumo . . . . . . . . . . 208

10.4.8 Obsolescncia e impactos ambientais . . 209

10.5 Evoluo da mo de obra no

desenvolvimento de projetos industriais . . . . . 209

10.5.1 Engenharia simultnea . . . . . . . . . . . . . . 210

10.6 Recursos para desenvolvimento do projeto . . 210

10.6.1 A equipe do projeto . . . . . . . . . . . . . . . 211

10.6.2 Responsabilidades e habilidades

do projetista . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

10.6.3 Equipamentos e ferramentas

do profissional de projeto . . . . . . . . . . . 213

10.6.4 Softwares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.7 Projeto de mecnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

10.7.1 Caractersticas do produto . . . . . . . . . . 213

10.8 Anlise tcnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.8.1 Incerteza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

10.8.2 Tenso e resistncia . . . . . . . . . . . . . . . 216

10.8.3 Flexibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

10.8.4 Manuteno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

10.8.5 Aquecimento e desgaste . . . . . . . . . . . . 217

10.8.6 Transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

10.8.7 Lubrificao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

10.8.8 Fabricao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

10.8.9 Segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

10.8.10 Peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

10.8.11 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

10.8.12 Confiabilidade do projeto . . . . . . . . . . 219

10.9 Anlise econmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10.9.1 Custo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10.10 Anlise de segurana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

10.11 Anlise ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

10.12 Unidades e valores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

10.13 Cdigos e padres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

10.14 Especificaes de equipamentos

padronizados e normalizados . . . . . . . . . . . . . 223

10.15 Desenho do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

10.15.1 Memorial de clculo . . . . . . . . . . . . . . 224

10.15.2 Modelos e prottipos . . . . . . . . . . . . 225

10.15.3 O croqui . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

10.16 Tolerncias geomtricas em

projetos mecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

10.16.1 Desvios de forma . . . . . . . . . . . . . . . . 226

10.16.2 Desvios de posio e de orientao . 227

10.16.3 Desvios compostos . . . . . . . . . . . . . . 227

10.17 Planejamento e controle de projetos . . . . . . . 228

10.17.1 Planejamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

10.17.2 Grfico de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . 229

10.17.3 Programao linear . . . . . . . . . . . . . . . 230

10.17.4 Tcnicas de rede Pert-CPM . . . . . . 230

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Sumrio237 Captulo 11

Manuteno industrial11.1 Mtodos de manuteno . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

11.1.1 Manuteno corretiva . . . . . . . . . . . . . . . 239

11.1.2 Manuteno preventiva . . . . . . . . . . . . . . 239

11.1.3 Manuteno preditiva . . . . . . . . . . . . . . . 240

11.2 O processo de manuteno . . . . . . . . . . . . . . . 240

11.3 Controle do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

11.4 Controle de custos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

11.5 Manuteno produtiva total (MPT) . . . . . . . . . 242

11.5.1 Manuteno autnoma . . . . . . . . . . . . . . 242

11.5.2 Indicadores de desempenho . . . . . . . . . . 243

11.6 Atividades operacionais da manuteno . . . . . 245

11.6.1 Lubrificao industrial . . . . . . . . . . . . . . . 245

267 Captulo 12Montagens12.1 Ferramentas de manuteno . . . . . . . . . . . . . . 268

12.2 Sistemas de transporte e levantamento

de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272

12.3 Desmontagem e organizao . . . . . . . . . . . . . . 273

12.3.1 Desmontagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

12.3.2 Limpeza de componentes . . . . . . . . . . . 274

12.3.3 Cuidados no processo de lavagem . . . . 274

12.3.4 Equipamentos usados no

processo de lavagem . . . . . . . . . . . . . . . 274

12.4 Manuteno das guias de deslizamento . . . . . . 275

12.4.1 Acoplamento do rabo de andorinha . . . 277

12.4.2 Ajustando as mquinas comuns

da oficina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

12.5 Engrenagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

12.6 Rolamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282

12.7 Polias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

12.7.1 Verificao de desequilbrio . . . . . . . . . . 283

12.7.2 Montagem de polias . . . . . . . . . . . . . . . . 284

12.8 Mantendo tudo em ordem . . . . . . . . . . . . . . . . 284

285 Referncias bibliogrficasBrian & mavis BOusfielD/ssPl/gettYimages

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Captulo 1

Os materiais e suas propriedades

CAPTULO 1MECNICA 2

22 23

S e pudssemos voltar no tempo at a poca em que nossos antepassa-dos inventaram utenslios de pedra e viver a histria do ser humano a partir dali, veramos que ocorreram mudanas bastante significativas.No incio da civilizao, o ser humano tinha acesso a um nmero muito limi-tado de materiais, todos retirados diretamente da natureza. H muitos sculos ele descobriu que com aquecimento e resfriamento (tratamento trmico) podia modificar as propriedades mecnicas de metais, isto , torn-los mais duros, mais moles, mais maleveis etc. Mais tarde, percebeu tambm que a rapidez com que o metal era resfriado e a adio de outras substncias influam decisivamente nessas modificaes. Assim como os metais, milhares de materiais diferentes surgiram com caractersticas bastante especficas que atendem s necessidades de nossa sociedade, tais como plsticos, vidros etc.

Novas tcnicas contriburam para melhorar a explorao dos recursos, ampliar a variedade de produtos, desenvolver novos materiais e processos de produo que permitiram o crescimento social e econmico da humanidade.

Embora o processo de produo do ao ainda mantenha suas origens, ou seja, extrao do minrio, aquecimento e transformao, a busca por novas ligas cada vez mais limpas uma realidade. O mesmo ocorre com os materiais derivados do petrleo: os combustveis, os polmeros e as fibras sintticas.

Figura 1.1novas tcnicas e

melhorias nas condies de trabalho nas minas

contriburam para a explorao dos minrios.

Hoje, no entanto, necessrio que os novos projetos possibilitem a criao de produtos utilizando os recursos conscientemente. Projetos inteligentes devem ser propostos para melhorar a vida e integr-la ao meio ambiente.

1.1 Classificao dos materiaisOs materiais podem ser classificados em metlicos e no metlicos e subdividi-dos conforme o esquema da figura 1.2.

Uma tendncia para o futuro a substituio de materiais pesados por outros mais leves e resistentes. Empresas fabricantes de veculos esto investindo em novas tecnologias para produzir veculos mais leves que os atuais e, consequente-mente, menos poluidores. A indstria de aviao vem usando, na fuselagem das aeronaves, cada vez mais compsitos de dois ou mais tipos de materiais diferen-tes, o que as torna mais leves e reduz seu consumo de combustvel.

Materiais renovveis tambm so desenvolvidos, visto que a maioria dos que uti-lizamos provm de recursos no renovveis como o petrleo. Tais recursos, que sero escassos em futuro prximo, devero ser substitudos por outros renovveis para garantir a qualidade do meio ambiente.

1.1.1 Grupos de materiais

Tradicionalmente os materiais so classificados em quatro grupos: metais, cer-micos, polmeros e compsitos.

Orgnicos

Madeira,Couro,Papel,

Borracha

Minerais,Cimento,Cermica,

Vidro

Metlicos

Materiais

No ferrososFerrosos

Aos eFerros

fundidos

Alumnio,Cobre,Titnio,

etc.

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No metlicos

Figura 1.2esquema de classes dos materiais.

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CAPTULO 1MECNICA 2

24 25

Metais

So elementos qumicos slidos a temperatura ambiente (23 C) e presso atmos-frica de 1 atm (com a nica exceo do mercrio). Caracterizam-se por brilho, opacidade, dureza, ductilidade (permitem ser esticados em arames finos) e ma-leabilidade (possibilitam sua reduo a lminas delgadas). Outras propriedades fsicas so sua elevada densidade, boa fusibilidade e, principalmente, os altos coeficientes de condutividade trmica e eltrica.

Uma caracterstica interessante dos metais o fato de possurem a chamada nuvem de eltrons, ou seja, eltrons livres abundantes que no esto sujeitos a grandes foras intermoleculares e, por isso, se deslocam com facilidade entre uma eletrosfera e outra. Muitas das propriedades dos metais esto diretamente ligadas a esses eltrons.

Metais so os materiais estruturais primrios de toda a tecnologia e incluem um grande nmero de ligas ferrosas (por exemplo, ferro fundido, ao-carbono, ligas de aos etc.).

Cermicos

So compostos slidos formados pela aplicao de calor, algumas vezes calor e presso, constitudos por ao menos um metal e um slido elementar no metlico (isolante ou semicondutor) ou um no metal. Propriedades tais como facilidade de conformao, baixo custo e densidade, resistncia corroso e a temperaturas elevadas fizeram com que os materiais cermicos tradicionais conquistassem posies de destaque em diferentes setores industriais e artsticos.

Figura 1.3entre suas caractersticas

fsicas, os metais possuem boa fusibilidade.

O nome deriva da palavra grega

keramiks, que significa de argila.

Algumas dessas propriedades fascinaram muitos industriais, que passaram a produzir peas tcnicas com esses materiais, conhecidas como os cermicos de engenharia. Podem ser citados como exemplos os carbonetos (carboneto de sil-cio, SiC), os nitretos (nitreto de silcio, Si3N4), xidos (alumina, Al2O3), silicatos (silicato de zircnio, ZrSiO4) etc. Atualmente, os materiais cermicos so uti-lizados na indstria aeroespacial, na blindagem trmica das naves, na indstria nuclear, como combustvel (UO2) de reatores de potncia etc.

Tecnicamente possvel classific-los por suas funes qumicas (xidos, carbo-netos e nitretos) ou mesmo pela origem mineralgica, como o quartzo, muito utilizado na produo de sensores eletrnicos e fototrmicos. A outra maneira pela manufatura, isto , pela moldagem a extruso e a moldagem por injeo. Esses materiais podem ser vistos em tijolos, telhas refratrias (revestimentos de fornos etc.). Os cermicos podem ainda ser aplicados em ferramentas de corte para usinagem (figura 1.4), componentes eletrnicos, sensores qumicos e catali-sadores entre outros.

Polmeros

A palavra polmero tem origem no grego: poli (muito) + mero (parte), e exata-mente isso, a repetio de muitas (poli) unidades (mero) de um tipo de composto qumico. Polimerizao o nome dado ao processo no qual as vrias unidades de repetio (monmeros, de mno: s, nico, isolado) reagem para gerar uma cadeia de polmero.

Existe no mercado grande quantidade de tipos de polmeros, derivados de diferentes compostos qumicos. Cada polmero mais indicado para uma ou mais aplicaes dependendo de suas propriedades fsicas, mecnicas, eltricas, pticas e outras.

Os tipos de polmeros mais consumidos atualmente so os polietilenos, polipropi-lenos, poliestirenos, polisteres e poliuretanos, que devido a sua grande produo

Figura 1.4Pastilhas de corte feitas de material cermico com revestimento superficial.

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CAPTULO 1MECNICA 2

26 27

e utilizao so chamados polmeros commodities. Outras classes de polmeros, como os poliacrilatos, policarbonatos e fluorpolmeros, tm tido uso crescente. Vrios outros polmeros so fabricados em menor escala por terem uma aplicao muito especfica, ou pelo alto custo. So chamados plsticos de engenharia.

Compsitos

Compsito um material em cuja composio entram dois ou mais tipos de mate-riais diferentes, por exemplo, metais e polmeros, metais e cermicas ou polmeros e cermicas. O fiberglass (plstico reforado com fibra de vidro) um exemplo familiar, no qual as fibras de vidro so adicionadas a um material polimrico. Esse compsito foi desenvolvido para combinar as melhores propriedades dos materiais que o constituem, ou seja, a dureza do vidro e a flexibilidade do polmero. Outro exemplo de compsito a fibra de carbono, amplamente utilizada na construo civil em estruturas de concreto para aumentar sua resistncia.

A indstria automobilstica tambm se beneficia dessa tecnologia na construo de chassis de veculos leves para melhora de desempenho, por causa do baixo peso.

Alm desses quatro grupos, podemos citar ainda os semicondutores e os bio-materiais.

1.2 Propriedades dos materiaisCom que critrio feita a escolha do material adequado para determinada pea, considerando, por exemplo, a variedade de materiais usados na fabricao de um automvel (ferro, ao, vidro, plsticos, borracha, cermicos etc.)? Cabe aos tc-nicos em mecnica auxiliar as decises na escolha de materiais adequados, como parte do projeto mecnico, levando em considerao diversas variveis.

Para fazermos a escolha, devemos levar em conta propriedades como resistncia mecnica, condutividade eltrica e/ou trmica, densidade e outras. Alm disso, devemos considerar o comportamento do material durante o processamento e o

Figura 1.5

uso em que so requeridas plasticidade, usinabilidade, estabilidade eltrica e du-rabilidade qumica.

1.2.1 Propriedades mecnicas

Propriedades mecnicas so aquelas que definem o comportamento do material, segundo determinado esforo a que ele pode ser submetido. O conjunto de pro-priedades mecnicas baseado nas seguintes caractersticas do material.

Resistncia mecnica

Resistncia mecnica a capacidade de uma estrutura de suportar esforos ex-ternos sem sofrer deformaes plsticas. Os esforos externos podem ser: trao, flexo, toro, cisalhamento, compresso, dobramento e outros. Essa proprieda-de definida por meio de ensaios mecnicos. A figura 1.6 apresenta um dia-grama (deformao por tenso) obtido por meio de ensaios de trao para deter-minar as propriedades mecnicas dos materiais.

Elasticidade

a propriedade que os materiais apresentam de recuperar a forma quando as tenses deformantes so retiradas ou diminudas. Um exemplo de deformao elstica ocorre quando pisamos em uma bola, que se deforma com uma fora externa e retorna ao formato original aps a retirada da fora.

Esse assunto abordado com maior abrangncia no livro Projetos e ensaios mecnicos.

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Figura 1.6Diagrama tenso-deformao.

Figura 1.7

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CAPTULO 1MECNICA 2

28 29

Plasticidade

a propriedade que certos materiais apresentam de se deformarem perma-nentemente, ou seja, assumirem tamanhos ou formas diferentes sem se rom-perem e sem sofrerem alteraes significativas em sua estrutura quando sub-metidos a presses ou choques. Exemplo de plasticidade a de uma chapa de ao que dobramos para que obtenha a forma desejada. A deformao no seria possvel se o material no tivesse essa propriedade. A plasticidade pode ser subdividida em:

Maleabilidade

a propriedade que um material tem de se deformar sob presso ou choque. Um material malevel quando, sob tenso, no sofre rupturas ou fortes alteraes na estrutura (endurecimento). Essa tenso pode ser aplicada por aquecimento. Se a maleabilidade a frio muito grande, o material chamado plstico.

Ductilidade

a capacidade que os materiais possuem de se deformarem plasticamente sem se romperem. Lembrando que deformao plstica a propriedade de um material mudar de modo irreversvel, ao ser submetido a uma tenso.

Dureza

a propriedade caracterstica de um material slido de resistir penetrao, ao desgaste, a deformaes permanentes, e est diretamente relacionada com a fora de ligao dos tomos. A determinao da dureza obtida por meio de en-saios em equipamentos nomeados de durmetros, que so estudados no captulo Ensaios mecnicos no volume 1 de Mecnica.

Fragilidade

a propriedade mecnica do material que apresenta baixa resistncia aos cho-ques. O vidro, por exemplo, duro e bastante frgil.

Fluncia (creep)

Um corpo que sofre alongamento contnuo que pode conduzir ruptura tem fluncia. Essa uma caracterstica de materiais ferrosos (aos e ferros fundidos) quando submetidos a cargas de trao constantes em temperaturas elevadas.

A fluncia ocorre mesmo quando o material submetido a tenses em tempe-ratura ambiente, mas nessa temperatura ela desprezvel comparada com a que ocorre nas temperaturas elevadas. Certas peas ficam inutilizadas se alongarem apenas 0,01%.

Resilincia

a propriedade do material de resistir a esforos externos como choques ou pan-cadas, sem sofrer deformao permanente. Como exemplo, podemos citar mo-las, ferramentas de corte etc.

Tenacidade

a capacidade de absorver energia at ocorrer a fratura. Quando a energia ab-sorvida progressivamente, acontece a deformao elstica e plstica do material, antes de se romper.

A tenacidade mensurada pela rea total do diagrama tenso-deformao. Comumente se diz que um material tenaz na medida de sua resistncia rup-tura por trao. Nem sempre isso verdadeiro, pois alguns aos doces so mais tenazes que os aos duros. Esse fato se deve s caractersticas dos aos duros, que apresentam deformao em sua ruptura.

1.2.2 Propriedades tecnolgicas

So propriedades dos materiais de serem trabalhados em processos de fabricao usuais. As propriedades tecnolgicas so as seguintes.

Fusibilidade

A fusibilidade a propriedade do material de passar do estado slido para o lquido sob ao do calor. Existe em todos os metais. Porm, para ser industrial-mente vivel, necessrio que o metal tenha ponto de fuso relativamente baixo e que, durante o processo de fuso, no ocorram oxidaes profundas, nem alteraes na estrutura.

Figura 1.8

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CAPTULO 1MECNICA 2

30 31

Principais temperaturas de fuso:Alumnio: 650 C;Ferro puro: 1 530 C;Aos: 1 300 C a 1 500 C;Gusa e fofo: 1 150 C a 1 300 C;

Zinco: 420 C;Chumbo: 330 C;Cobre: 1 080 C;Estanho: 235 C.

Soldabilidade

a propriedade de certos metais de se unirem, depois de serem aquecidos. O metal ou liga que muda de modo rpido do estado slido para o lquido dificil-mente soldvel (ferro fundido, por exemplo).

Temperabilidade

Aps um aquecimento prolongado, seguido de resfriamento brusco, alguns metais endurecem e mudam sua estrutura cristalina. A essa mudana damos o nome de temperabilidade. Essa caracterstica modifica todas as propriedades mecnicas do material. Aos de boa temperabilidade so aplicados quando se necessita de alta resistncia mecnica para todo o material, ou seja, a pea deve possuir uma distribuio de dureza igual ao longo da seo.

Figura 1.9

Usinabilidade

a resistncia oferecida ao corte, medida pela energia necessria para usinar o material no torno, sob condies padro. obtida por meio de uma comparao com a de um material padro, que, por conveno, igual a 100 (ao B1112). O conhecimento da usinabilidade de um material permite calcular os tempos necessrios de usinagem para programar uma fabricao. Alguns tratamentos trmicos so indicados para melhorar a usinabilidade dos materiais.

Fadiga

Quando um material est sujeito a esforos dinmicos durante longo perodo, observa-se um enfraquecimento das propriedades mecnicas ocasionando a ruptura. A esse enfraquecimento chamamos fadiga. A fadiga pode ser tambm superficial, provocando desgaste de peas sujeitas a esforos cclicos, como ocor-re em dentes de engrenagens. Podemos citar ainda como exemplo um clipe, que, ao aplicarmos nele uma fora para cima e para baixo (esforo cclico), se aquece at se romper por fadiga.

1.2.3 Propriedades trmicas

Os materiais submetidos a variaes de temperaturas apresentam diferentes comportamentos devido a algumas propriedades.

Condutividade trmica

a propriedade fsica dos materiais de transferir mais ou menos calor. Temos como materiais bons condutores de calor: prata (Ag), cobre (Cu), alumnio (Al), lato, zinco (Zn), ao e chumbo (Pb). Exemplos de materiais maus condutores de calor: pedra, vidro, madeira, papel.

Dilatao

Dilatao o aumento do volume de um corpo que sofre variao em sua tem-peratura quando submetido ao do calor. A dilatao de um material est relacionada ao chamado coeficiente de dilatao trmica, que pode ser linear, superficial ou volumtrico.

1.2.4 Propriedades eltricas

A condutividade eltrica a propriedade que possuem certos materiais de per-mitir maior ou menor transporte de cargas eltricas. Os materiais em que esse transporte se d com facilidade so chamados condutores, uma caracterstica dos metais. J os que praticamente impedem a passagem de corrente eltrica so chamados isolantes. O cobre, suas ligas e o alumnio conduzem bem a eletrici-dade e, por isso, so empregados na fabricao de fios e aparelhos eltricos. Al-gumas ligas de Cr-Ni e Fe-Ni so pouco condutoras e servem para construo de resistncias eltricas, por exemplo, em reostatos. Exemplos de materiais isolantes so a madeira seca e a baquelite.

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1.2.5 Propriedades eletromagnticas

A caracterstica mais comum associada s propriedades eletromagnticas a sus-cetibilidade magntica. a propriedade de um material ficar magnetizado sob a ao de uma estimulao magntica, ou seja, o grau de magnetizao de um material em resposta a um campo magntico.

Na natureza existem alguns materiais que, na presena de um campo magn-tico, so capazes de se tornarem um m. Esses materiais so classificados em ferromagnticos, paramagnticos e diamagnticos.

Ferromagnticos

So materiais (ferro, cobalto, nquel e as ligas formadas por essas substncias) que se imantam fortemente quando colocados na presena de um campo magntico.

Paramagnticos

So materiais que possuem eltrons desemparelhados que, na presena de um campo magntico, se alinham formando um m que tem a capacidade de pro-vocar um leve aumento na intensidade do valor do campo. So materiais para-magnticos: o alumnio, o magnsio e o sulfato de cobre, entre outros.

Diamagnticos

So materiais que, se colocados na presena de um campo magntico, tm seus ms elementares orientados no sentido contrrio ao do campo, ou seja, repe-lem o campo magntico. So substncias diamagnticas: o bismuto, o cobre, a prata e o chumbo, entre outros.

1.2.6 Propriedades fsicas

No conjunto das propriedades fsicas dos materiais se destacam a densidade re-lativa e o peso especfico.

Densidade relativa

A densidade relativa a relao entre a massa especfica de um corpo e a massa especfica da gua, nas condies de ensaio. Essa relao nos d um nmero adimensional por causa do quociente.

Em projetos mecnicos procura-se aliar baixa densidade com alta resistncia mecnica, levando-se em conta a viabilidade econmica.

Peso especfico

Ligado densidade relativa est o peso especfico, que a relao entre a massa e a unidade de volume do corpo. Por exemplo, o peso especfico do ao 7 800 kg/m3.

1.2.7 Propriedades qumicas

Resistncia corroso

a propriedade que o material tem de evitar danos causados por outros mate-riais que possam deterior-lo. O efeito da oxidao direta de um metal ou de um material orgnico como a borracha o dano mais importante observado. Tam-bm merece destaque a resistncia do material corroso qumica. A ateno que damos aos nossos carros um exemplo bvio da preocupao com a corroso. Como o ataque pela corroso irregular, muito difcil medi-la. A unidade mais comum utilizada para medir a corroso polegadas ou centmetros/milmetros de superfcie perdida por ano.

A necessidade de utilizao de metais a altas temperaturas e em meios altamente corrosivos, como a gua do mar para a indstria petrolfera, tem levado obten-o de novas ligas especiais e ao uso de tratamentos superficiais especficos para essas aplicaes.

1.3 Estrutura dos materiaisOs materiais, que podem ser encontrados no estado slido, lquido ou gasoso, so constitudos por diferentes agrupamentos atmicos e, por isso, apresentam carac-tersticas distintas. Por causa de sua mobilidade no estado lquido ou gasoso, os tomos adaptam-se a qualquer forma externa que os contenha. No estado slido, ocupam posies fixas que conferem ao material volume e forma definidos.

Figura 1.10Plataforma de petrleo montada no mar.

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CAPTULO 1MECNICA 2

34 35

Os materiais podem ser classificados de acordo com suas ligaes atmicas, como segue.

1.3.1 Materiais cristalinos

Os materiais cristalinos apresentam uma ordem de tomos que se repete perio-dicamente at grandes distncias atmicas. Essa ordem um arranjo tridimen-sional, regular e peridico dos tomos no espao.

Dentre os materiais cristalinos, podemos destacar:

todos os metais;muitos materiais cermicos; alguns polmeros.

1.3.2 Materiais amorfos

So designados como amorfos os materiais sem organizao atmica interna definida, ou seja, cuja estrutura no tem ordenao espacial a longa distncia. Algumas substncias comuns so amorfas, como o vidro, o poliestireno e at mesmo o algodo-doce.

Os materiais amorfos possuem propriedades nicas. Os metais amorfos so pro-duzidos pela rpida solidificao de ligas metlicas e apresentam fcil magneti-zao, que se deve ao fato de seus tomos se encontrarem arranjados de maneira aleatria, facilitando a orientao dos domnios magnticos.

1.4 Materiais metlicosOs materiais metlicos, em linhas gerais, tm as seguintes propriedades:

Corebrilho: apresentam colorao que varia do branco ao cinzento, com exceo do ouro e do cobre.

Densidade: dividem-se em leves (densidade menor que 6: alcalinos, alcali-nos terrosos, Mg, Be, Al) e pesados (densidade superior a 6).

Estruturacristalina: caracterstica observada em todos os metais.

Os materiais metlicos so classificados em ferrosos e no ferrosos.

(c)(a) (b)Figura 1.11

(a) estrutura cristalina cbica de face centrada

(b) estrutura cristalina hexagonal simples

(c) estrutura cristalina cbica de corpo centrado.

1.4.1 Estrutura cristalina dos metais

A maioria dos materiais de interesse tem arranjos atmicos que so repeties, nas trs dimenses, de uma unidade bsica. Tais estruturas so denominadas cristais.

Define-se um sistema cristalino como a forma do arranjo da estrutura atmica. Sua representao consiste em substituir tomos e rede espacial por conjunto de pontos.

A ordem tridimensional dos tomos (arranjo das clulas unitrias) se repete sime-tricamente at os contornos dos cristais (tambm chamados contornos de gros).

A estrutura cristalina um arranjo tridimensional, regular e peridico dos to-mos no espao. A clula unitria ou clula elementar a menor unidade repetiti-va de arranjo de tomos capaz de caracterizar o material cristalino.

O tipo de sistema cristalino, ou seja, sua clula unitria, pode ser determinado expe-rimentalmente por meio de difrao com raios X na estrutura do cristal. As figuras 1.12, 1.13 e 1.14 apresentam as trs estruturas cristalinas mais comuns em metais.

z

y

aa

a

x

Figura 1.12estrutura cbica de corpo centrado (CCC).

z

yx

Figura 1.13Cbico de face centrada (CfC).

t

aa a

Figura 1.14Hexagonal compacto (HC).

MECNICA 2

36

1.4.2 Metais ferrosos

O ferro um metal utilizado pelo ser humano h muito tempo. A histria regis-tra a existncia de armas e utenslios de ferro fabricados por processos primitivos h milhares de anos.

O ferro como metal tem grande importncia: com base nele, temos a classificao dos materiais metlicos, alm de um ramo da cincia dos materiais especfico para seu estudo.

A metalurgia o conjunto de tcnicas desenvolvido pelo ser humano, no decorrer do tempo, que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metlicas. A siderurgia o ramo da metalurgia que se dedica fabricao e tratamento de materiais ferrosos.

Para um material metlico ser considerado ferroso, necessrio que seja uma liga de ferro com carbono e outros elementos, como silcio, mangans, fsforo e enxofre. Quando a quantidade de carbono presente no metal ferroso atinge entre 2,0% e 4,5%, temos o ferro fundido e, quando for menor que 2%, o ao.

Captulo 2

Aos e ferrosfundidos

CAPTULO 2MECNICA 2

38 39

2.1 Obteno dos aos e do ferro fundido

O minrio de ferro encontrado na natureza geralmente a cu aberto (figura 2.1), sob a forma de xidos, como a magnetita (Fe3O4) e a hematita (Fe2O3), e tambm sob a forma de carbonatos, sulfetos e silicatos.

Na extrao desses minrios deve-se levar em considerao a importncia de projetos que garantam a vida e o respeito s pessoas e ao meio ambiente.

Os aos e o ferro fundido so fabricados em siderrgicas. A matria-prima deve ser preparada para se adequar ao processo de fabricao. Para tanto temos dois modelos de usinas siderrgicas:

integradas;mini-mills.

Figura 2.1mina de explorao de

minrio de ferro de Carajs, no Par.

2.1.1 Usinas integradas

Nestas usinas integradas acontecem as principais etapas da fabricao dos aos e ferros fundidos. O alto-forno um forno especial no qual ocorre a extrao do ferro do seu minrio (xidos) (figura 2.2). O alto-forno consiste em um reator tubular vertical, no qual a reduo se d de maneira praticamente con-tnua. Na parte superior alimentado com carga slida e, na inferior, com ar preaquecido.

Um alto-forno tpico tem cerca de 30 metros de altura e 7 metros de dimetro e apresenta uma pequena variao do dimetro interno, necessria para com-pensar a variao de volume dos gases em funo da temperatura. Possui um coletor de poeira cuja funo recolher a grande quantidade de poeiras carre-gadas nos gases. H lavadores que empregam um precipitador eletrosttico, o qual permite a gerao de um campo eltrico que ioniza as partculas de p, atraindo-as para as paredes do aparelho. Em seguida, so levadas ao fundo com o uso de gua e regeneradores. Os regeneradores so armazenadores de calor, constitudos por uma cmara de combusto em que o gs do alto-forno queimado com ar.

Quimicamente, ocorre o fenmeno da reao da liga ferro-carbono com o car-vo ou coque. Esse fenmeno chamado reduo. A liga tem basicamente 5% de carbono. O produto final dessa reao conhecido como ferro-gusa, que agora est no estado lquido e pode ser vazado em fornos apropriados.

carrinho decarregamento

(skip)

sistemade carga

duto do gs doalto-forno

gases carregadosde poeiras

alto-forno

coletorde poeiras

ferro-gusalquido

precipi-tador

eltrico

lavadorde gs

tomada de

gs para a estufa

estufa

duto de gsem excesso

ar comprimidofrio fornecidopelo compressorde ar

gs queimadopara a chamin

iodocarro deescria

ventaneiras

plan

o in

clina

do

orifcio deescria

duto de ar comprimido quente

queimadorde gs

carrinho coletorde poeira

escriaferro-gusaliquefeito

Figura 2.2esquema representativo de um alto-forno.

Del

fim

ma

rtin

s/Pu

lsa

r im

ag

ens

CAPTULO 2MECNICA 2

40 41

Minrio de ferro

A matria-prima principal para a manufatura dos processos siderrgicos o min-rio de ferro, e os minerais que contm ferro em quantidade aprecivel so os xidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os principais xidos encontrados na natureza so:

magnetita (xido ferroso-frrico) de frmula Fe3O4, contendo 72,4% de Fe;hematita (xido frrico), de frmula Fe2O3, contendo 69,9% de Fe; limonita (xido hidratado de ferro), de frmula Fe2O3NH2O, contendo, em

mdia, 48,3% de Fe.

Antes de ser inserido no alto-forno, o minrio de ferro sofre processos de be-neficiamento, com o objetivo de alterar suas caractersticas fsicas e qumicas e torn-lo adequado para utilizao. Esses processos so: britamento, peneiramen-to, mistura, moagem, classificao e aglomerao.

Um dos processos mais importantes dessa etapa a aglomerao. Tem por objetivo melhorar a permeabilidade da carga do alto-forno para minimizar os custos com a compra de carvo, pois a quantidade exigida menor. Rea-lizada a aglomerao, a reduo apresenta melhorias e o processo se torna mais rpido.

Industrialmente, esse processo classificado como pelotizao, na qual a aglo-merao realizada com partculas ultrafinas de minrio de ferro. E a sinteriza-o, que consiste, basicamente, na adeso das partculas, faz com que os pontos de contato aumentem com a temperatura, mantendo o volume e alterando fisi-camente a forma cristalina, isto , enchendo os espaos vazios.

Carvo

O carvo utilizado nos altos-fornos pode ser de origem tanto mineral quanto vegetal. Possui vrias funes dentro do processo, que so:

atuar como combustvel, gerando calor para as reaes; atuar como redutor do minrio, que basicamente constitudo de xidos de ferro; atuar como fornecedor de carbono, que o principal elemento de liga dos

produtos siderrgicos.

Da mesma forma que o minrio, o carvo tambm sofre processamento antes de ser introduzido no alto-forno. Essa operao consiste na coqueificao, que o aquecimento do carvo mineral a altas temperaturas, em cmaras herme-ticamente fechadas, portanto com ausncia total de ar, exceto na sada dos produtos volteis.

Calcrio

O calcrio reage com substncias estranhas ou impurezas contidas no minrio e no carvo, diminuindo seu ponto de fuso e formando a escria, subproduto do processo clssico do alto-forno.

Por fim, h o ao na forma de lingotes. Uma vez no estado slido, o ao est pronto para a transformao mecnica, que pode ser feita por intermdio de laminadores, resultando em blocos, tarugos e placas.

A figura 2.3 apresenta um esquema das principais etapas de fabricao do ao, com base no modelo de processos adotados pelas usinas integradas.

O ferro lquido produzido rico em carbono e contm impurezas indesejadas. Essa combinao resulta em um produto com propriedades limitadas. O ao, ento, passa por processos de refinao. A combinao de um processo de re-duo de minrios levou ao modelo atual de usina siderrgica apresentado no esquema da figura 2.3.

2.1.2 Matria-prima

As matrias-primas bsicas das usinas integradas so:

minrio de ferro; carvo; calcrio.

A laminao tratada no livro:

Mtodos e processos industriais.

Reduo Aciaria Lingotamento Conformaomecnica

Calcrio

Carvo

Minrio

Ar quente

Conversor

Sucata

Redutor

MinrioEscria

Gusalquido

Ao lquido

Feesponja

Pr-tratamento

do gusa

Fornoa arco Tratamento

sob vcuo

Aoefervescente

Semi-acalmado

Lingotamentocontnuo

Fornopanela

Acalmado

Pelorizaoou

sinterizao

Coqueria

Figura 2.3fluxograma de produo

do ao com as diversas alternativas de processo.

CAPTULO 2MECNICA 2

42 43

O cadinho onde o ferro-gusa depositado. Como a escria (impurezas que se formam durante o processo) deve ser separada do ferro, nesta etapa ocorre esta separao. A escria menos densa que o ferro e flutua no cadinho, no qual existem dois furos: o furo superior para escoamento da escria e o furo inferior, que aberto quando se deseja que o ferro lquido escoe.

A fuso e a combusto ocorrem na rampa. Existem furos distribudos unifor-memente entre o cadinho e a rampa chamados de ventaneiras, por onde o ar pr-aquecido soprado sob presso, o que serve para facilitar os processos entre o cadinho e a rampa.

A cuba a parte maior do alto-forno: ela representa dois teros da altura total. Nela colocada a carga, composta de minrio de ferro (snter ou pelotas), carvo na forma de coque ou vegetal e os fundentes (cal e calcrio).

medida que o carvo, o minrio e o calcrio descem, encontram os gases pro-venientes da queima do coque com o oxignio soprado pelas ventaneiras, a uma temperatura de aproximadamente 1 000 C.

Nesse contexto, o coque, por causa da alta temperatura, reage quimicamente com todo o material lquido e pode, ento, ocupar os interstcios (vazios). O processo agora tem dois produtos lquidos: a escria e o ferro-gusa.

O ferro-gusa uma liga ferro-carbono com teores elevados de carbono (3,4% a 4,5%) e grande quantidade de impurezas. Ele utilizado para a fabricao do ao e do ferro fundido.

O ferro-gusa pode ser utilizado em contrapesos de guindastes e peas de baixa responsabilidade, em geral sua maior utilizao como matria-prima de outros produtos siderrgicos.

Fabricao do ao

O ao uma liga de ferro com baixos teores de carbono (C) e, como o ferro--gusa, durante a sua fabricao apresenta teores elevados de carbono e impu-rezas, silcio (Si), mangans (Mn), fsforo (P) e enxofre (S). A transformao do ferro-gusa em ao ocorre pela reduo da porcentagem de carbono e das impurezas, por um processo de oxidao. Na usina siderrgica, o processo de reduo acontece no setor chamado aciaria, utilizando um equipamento conhecido como conversor para obteno do ao. Existem vrios modelos de aciarias e conversores, os mais conhecidos so:

Bessemer/Thomas, de sopro de oxignio pelo fundo;Tropenas, de sopro de oxignio pela lateral;Linz-Donawitz (LD), de sopro de oxignio pela parte superior.

No Brasil se utiliza um conversor constitudo de uma carcaa cilndrica de ao, revestida com materiais refratrios, conhecido como LD ou BOP (basic oxygen process), conforme a figura 2.6.

2.1.3 Operaes siderrgicas

Produo do ferro-gusa

O alto-forno pode ser dividido em trs partes fundamentais: o fundo, tambm conhecido como cadinho, a parte do meio, conhecida como rampa, e a cuba, que a parte superior.

Figura 2.4escria, subproduto do processo do alto-forno.

Figura 2.5

rOse

nfe

lD im

ag

es l

tD/s

Cie

nC

e PH

OtO

liB

rarY

/sPl

DC

/lat

inst

OC

KC

OrD

elia

mO

llO

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Cie

nC

e PH

OtO

liB

rarY

/sPl

DC

/lat

inst

OC

K

CAPTULO 2MECNICA 2

44 45

2.1.4 Usinas mini-mills

Matria-prima

Estas usinas utilizam como matria-prima para o processo de fabricao do ao sucata (de ao ou ferro fundido) e cal, e pode-se utilizar tambm o ferro--gusa.

Pode-se trabalhar tambm com o ferro-gusa proveniente das usinas integradas.

Operaes siderrgicas

As mini-mills so equipadas principalmente com fornos eltricos a arco ou por induo que podem fundir sucata metlica e produzir ao conforme as especificaes exigidas. Aps carregar o forno com uma mistura preajustada de matria-prima (por exemplo, sucata metlica, ferro-gusa e ferro esponja), aplica-se energia eltrica de acordo com um perfil de fundio controlado por computador. Em geral, o processo de produo em mini-mills consiste nas se-guintes etapas:

obteno de matrias-primas; fundio; lingoteamento; laminao; trefilaria.

Figura 2.7forno cubil.

Neste conversor, o oxignio soprado praticamente puro por meio de uma lan-a, provocando um choque na superfcie lquida. O forno carregado com gusa lquido e sucata, o sopro provoca a oxidao para a reduo do carbono e das impurezas, e controlado por clculos, de acordo com os teores de carbono a se-rem alcanados. Por fim, a lana retirada e o forno basculado para o processo de vazamento do ao.

Fabricao do ferro fundido

O ferro fundido apresenta teores de carbono maiores que o ao, os quais so obtidos no forno cubil, que tambm utiliza como matria-prima o ferro-gusa e sucatas. A figura 2.7 evidencia em corte o forno vertical e cilndrico.

Na parte superior existe uma abertura por onde feita a carga de ferro-gusa, su-catas de ao e ferro fundido, carvo coque e calcrio, materiais que so colocados alternadamente.

Uma bica no fundo do forno escoa o metal fundido em intervalos determinados, a escria, que mais leve, retirada por uma abertura acima.

Lana deoxignio

Furo devazamento

Carcaade ao

Revestimentorefratrio

Nvel daescria

Nvel dometal

lquido

Figura 2.6seo transversal

esquemtica de um conversor utilizando

insuflao de oxignio pelo topo.

CAPTULO 2MECNICA 2

46 47

2.2.1 Fases do diagrama ferro-carbono

Ferrita alfa ()

Soluo slida de carbono em ferro CCC, existente at a temperatura de 912C. Caracteriza-se pela baixa solubilidade de carbono no ferro, chegando ao mximo de 0,0218% a 727C.

+ Fe3C

lquido + ferro deltaL + 8

ferro delta

ferro delta + austenita

ferrita + austenita

ferrita

0,77%0,0218%

0,008%

ponto eutetoide

ferro

ferro + cementita

austenita + cementita

austenita + lquidoponto euttico

linha linha

A cm

A3

A2A1

austenita2,11%

0,17%

4,3%

ao ferro fundido

Fe 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,69 %C

0,09%

(C)

1 600

1 5381 5001 495

+

+ L

+ Fe3C

+

1 4001 394

1 300

1 200

1 148

1 100

1 000

900

800770

727700

600

500

912

400

300

200

100

0

liquidussolidus

Figura 2.9Diagrama de equilbrio ferro-carbono.

2.1.5

A diferena bsica entre esse processo e o processo de produo de usinagem integrada descrito anteriormente encontrada na primeira etapa do processa-mento, ou seja, na fabricao do ao. As mini-mills so unidades menores que as unidades integradas e oferecem algumas vantagens como:

custo de capital mais baixo; riscos operacionais mais baixos pela no concentrao de capital e capacida-

de instalada em uma nica unidade de produo;proximidade de unidades de produo a fontes de matria-prima;proximidade aos mercados locais e ajuste mais fcil dos nveis de produo; estrutura gerencial mais efetiva por causa da relativa simplicidade do pro-

cesso de produo.

O princpio transformar a energia eltrica em energia trmica, por meio da qual promove-se a fuso do ferro-gusa e/ou da sucata, em que as condies de temperatura e oxidao do metal lquido so bem controladas.

2.2 Diagrama ferro-carbonoNa prtica, as ligas ferro-carbono so os materiais mais utilizados na indstria, uma vez que suas propriedades apresentam grande variao, de acordo com a quantidade de carbono existente, e ainda possibilitam uma gama maior de propriedades se con-siderarmos os tratamentos trmicos. As transformaes em uma liga ferro-carbono so influenciadas basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Levando em conta esses dois fatores, podemos montar um mapa das transformaes que ocorrem e denomin-lo diagrama de equilbrio (ver figura 2.9).

Nesse diagrama, podemos ver as fases presentes para cada temperatura, composi-o e tambm os pontos fundamentais para a compreenso das transformaes.

Figura 2.8

BlO

Om

Berg

/get

tY im

ag

es

CAPTULO 2MECNICA 2

48 49

Na figura 2.10 vemos o esquema das estruturas das ligas Fe-C, na faixa correspon-dente aos aos, resfriados lentamente, conforme o diagrama de equilbrio Fe-C.

2.3 Aos

O ao o material mais empregado na maioria das construes mecnicas, por suas timas caractersticas mecnicas e sua adaptabilidade.

Os aos utilizados na construo mecnica so classificados em trs grandes categorias:

aos-carbono ou comuns; aos-liga; aos especiais.

2.3.1 Ao-carbono ou ao comum

Quando o nico elemento de liga o carbono, o material designado ao--carbono ou ao comum.

Grandes variaes de resistncia e de dureza so obtidas pela modificao das porcentagens de carbono ou por tratamentos trmicos. Com base no diagrama de equilbrio Fe-C, podem-se interpretar as reaes que ocorrem nas faixas de composio correspondentes aos aos e que so responsveis por tais variaes.

ferrita

ferrita

perlitacementita

perlita

perlita

Fe puro(A)

Ao hipoeutetoide(B)

Ao eutetoide(C)

Ao hipereutetoide(D)

Figura 2.10aspecto microgrfico do ao.

Austenita gama ()

Soluo slida de carbono em ferro CFC, existente entre as temperaturas de 912C e 1 495C, com solubilidade mxima de carbono no ferro de 2,11% a 1 148C.

Ferrita delta ()Soluo slida de carbono em ferro CCC, mesmo estando o ferro em seu estado lquido, isto , at a temperatura de 1 538C. Nessa condio trmica, o carbo-no praticamente no se solubiliza ou o grau de solubilizao muito baixo. O teor percentual que se pode atingir so valores limites de 0,09% (temperatura de 1 495C).

Cementita (Fe3C)

um carboneto de ferro de alta dureza com teor de carbono de 6,69%.

2.2.2 Linhas do diagrama ferro-carbono

Linha A1

Indica a ocorrncia de uma parada (arrt) durante a transformao. Assim, ao resfriar um ao com 0,77% de C, observa-se uma parada na temperatura de 727 C, ou seja, enquanto a transformao + Fe3C no se completa, a temperatura permanece constante.

Linha A2

Mostra a temperatura de transformao magntica do ferro CCC a 770C.

Linha A3

Identifica a temperatura de transformao . medida que o teor de car-bono aumenta, a temperatura A3 diminui, at o limite de 727C, em que se encontra com A1.

Linha Acm

Indica a temperatura de transformao Fe3C. Inicia a 727C com 0,77% de C e vai aumentando com a elevao do teor de carbono, at atingir 1 148C a 2,11% de C.

Linha solidus

Aponta que abaixo dessa linha todo material estar no estado slido.

Linha liquidus

Indica que acima dessa linha todo material estar na forma lquida.

CAPTULO 2MECNICA 2

50 51

Resumo dos principais aos para construo mecnica

1010Ao ao carbono sem elementos de liga, para uso geral, utilizado em peas mecnicas, peas dobradas, partes soldadas, tubos e outras aplicaes.

1020Ao ao carbono, de uso geral, sem elementos de liga, utilizado em peas mecnicas, eixos, partes soldadas, conformadas ou cementadas, arames em geral etc.

1045Ao com teor mdio de carbono, de uso geral em aplicaes que exigem resistncia mecnica superior ao 1020 ou tmpera superficial (em leo ou gua), utilizado em peas mecnicas em geral.

9SMn28

Fcil de ser usinado, oferece bom acabamento superficial, mas de difcil soldabilidade, exceto mediante o emprego de eletrodos de baixo teor de hidrognio. Exemplo: E6015 (AWS). Usado comumente na fabricao de porcas, parafusos, conexes e outros produtos que necessitam de alta usinabilidade. No deve, porm, ser utilizado em partes vitais de mquinas ou equipamentos sujeitos a esforos severos ou choques.

12L14Tem caractersticas idnticas s do 9SMn28, com exceo da usinabilidade, pois apresenta capacidade superior a 60% em relao ao 9SMn28.

Teluraloy

De caractersticas idnticas s do 9SMn28, com exceo da usinabilidade, pois apresenta capacidade superior a 100% em relao ao 9SMn28. Possui algumas melhorias em relao ao 9SMn28 e 12L14, em trabalhos que necessitem de compresso, como roscas laminadas ou partes recartilhadas.

8620Ao cromo-nquel-molibdnio, usado para cementao na fabricao de engrenagens, eixos, cremalheiras, terminais, cruzetas etc. (limite de resistncia do ncleo entre 70 e 110 kgf/mm).

8640Ao cromo-nquel-molibdnio de mdia temperabilidade, usado em eixos, pinhes, bielas, virabrequins, chavetas e peas de espessura mdia.

4320

Ao cromo-nquel-molibdnio para cementao que alia alta temperabilidade e boa tenacidade. Usado em coroas, pinhes, terminais de direo, capas de rolamentos etc. (limite de resistncia do ncleo entre 80 e 120 kgf/mm).

4340Ao cromo-nquel-molibdnio de alta temperabilidade, usado em peas de sees grandes como eixos, engrenagens, componentes aeronuticos, peas para tratores e caminhes etc.

5140Ao cromo-mangans para beneficiamento, de mdia temperabilidade, usado em parafusos, semieixos, pinos etc.

5160Ao cromo-mangans de boa tenacidade e mdia temperabilidade, usado tipicamente na fabricao de molas semielpticas e helicoidais para veculos.

6150Ao cromo-vandio para beneficiamento que apresenta excelente tenacidade e mdia temperabilidade. Usado em molas helicoidais, barras de toro, ferramentas, pinas para mquinas operatrizes etc.

9260Ao de alto teor de silcio e alta resistncia. Usado em molas para servio pesado, como em tratores e caminhes.

52100Ao que atinge elevada dureza em tmpera profunda, usado tipicamente em esferas, roletes e capas de rolamentos e em ferramentas como estampos, brocas, alargadores etc.

[[TabAnchor]]

Tabela 2.1Caractersticas dos principais aos.

O ao-carbono o mais barato dos aos, razo pela qual ele o preferido, exceto quando condies severas de servio exigem caractersticas especiais, ou quando h necessidade de pequenas dimenses.

Os aos-carbono, de modo geral, cobrem todas as necessidades da prtica. Com teor de 0,3% ou mais, pode ser tratado termicamente para melhorar suas pro-priedades de resistncia e dureza. Mas surgem dificuldades em peas de grandes sees por causa do resfriamento lento do ncleo, o que impede as mudanas metalrgicas requeridas para endurecimento e resistncia.

O principal inconveniente do ao comum sua pequena penetrao de endure-cimento, estendido apenas a uma fina camada. O resfriamento deve ser muito rpido, o que pode resultar em tenses residuais internas, distores, perda de ductilidade e, eventualmente, trincas.

Os aos comuns podem ser classificados quanto composio ou ao teor de car-bono. A classificao norte-americana, praticamente adotada no mundo inteiro, define os seguintes padres:

aos de baixo teor de carbono: at 0,25% de carbono; aos de mdio teor: de 0,25% a 0,6% de carbono; aos de alto teor: 0,6% a 2,0% de carbono.

A tabela 2.1 apresenta algumas indicaes de utilizao encontradas comumente na prtica.

240

220

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

60

50

40

30

20

10

Du

reza

Bri

nel

l

Lim

ite

de

resi

stn

cia

tr

ao

kg

f/m

m2

Teor de carbono, %

Alo

ng

amen

to, %

limite

de

resist

ncia trao

alongamento

dure

za Br

inell

Figura 2.11Propriedades mecnicas dos aos em funo do

teor de carbono.

CAPTULO 2MECNICA 2

52 53

Podemos classificar um ao como ao-liga quando encontramos uma quanti-dade de elementos adicionados maior do que os encontrados nos aos-carbono comuns. Essa quantidade responsvel pela modificao e melhoria nas proprie-dades mecnicas do ao.

Dependendo da quantidade dos elementos adicionados, o ao-liga pode ser de baixa liga, se tiver at 5% de elementos de liga, ou de liga especial, se tiver quan-tidades de elementos de liga maiores do que 5%.

Os elementos de liga mais comumente adicionados ao ao so: nquel, manga-ns, cromo, molibdnio, vandio, tungstnio, cobalto, silcio e cobre. possvel adicionar mais de um elemento para obter um ao-liga.

O quadro da figura 2.12 mostra a influncia dos elementos de liga na estrutura e nas propriedades do ao. Alguns dos aos-liga obtidos de um ou mais elementos apresentados no quadro so padronizados pela ABNT.

Os efeitos de cada um dos elementos de liga so detalhados a seguir.

Mangans (Mn)

O mangans aumenta a temperabilidade e reduz a temperatura de austenitiza-o. Todos os aos-ferramenta comerciais contm mangans para a reduo de xidos e evitar a fragilidade ocasionada pelo sulfeto de ferro. Aos-ferramenta podem conter at 2% de mangans, com 0,8 a 0,9% de carbono. Em alguns aos-liga o mangans substitui parcialmente o nquel com a finalidade de re-duo de custo de produo.

Influncia na PropriedadeElemento

C Mn P S Si Ni Cr Mo V Al

Aumento da Resistncia

Aumento da Dureza

Aumento da Resistncia ao Impacto

Reduo da ductilidade

Aumento da Resistncia em altas temperaturas

Aumento da Temperabilidade

Ao Desoxidante

Aumento da Resistncia Corroso

Aumento da Resistncia Abraso

Reduo da Soldabilidade

Figura 2.12

A Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT) padroniza os aos para construo mecnica segundo o teor de carbono, baseando-se nas normas SAE, com exceo de alguns aos que se baseiam nas normas DIN, identificados pela letra D anteposta.

Na classificao SAE, a representao feita por quatro algarismos. O primeiro algarismo indica:

1 = ao-carbono;2 = ao-nquel;3 = ao nquel-cromo;4 = ao-molibdnio;5 = ao-cromo;6 = ao cromo-vandio;7 = ao-tungstnio;8 = ao nquel-cromo-molibdnio;9 = ao silcio-mangans.

O segundo algarismo indica a percentagem aproximada do elemento pre-dominante da liga. Os dois ltimos representam o teor mdio de carbono contido em percentagem. A tabela 2.2 apresenta as padronizaes definidas pela ABNT.

Grupo Exemplo Tipo de ao

10XX SAE 1020 ao-carbono comum

11XX SAE 1120 ao de alto teor de enxofre

13XX 1322 aos ligados ao mangans

23XX 2340 aos ligados ao nquel

31XX 3135 aos ligados ao nquel e ao cromo

41XX 4140 aos cromo-molibdnio

43XX 4340 aos cromo-nquel-molibdnio

51XX 5160 aos ligados ao cromo

61XX 6140 aos ligados ao cromo e ao vandio

86XX 8620 aos nquel-cromo-molibdnio

2.3.2 Aos-liga

Para melhorarmos a resistncia mecnica de qualquer material metlico, pode-mos aplicar processos de fabricao por conformao mecnica, tratar o material termicamente ou acrescentar elementos de liga.

Society of Automotive Engenieers.

Deutsches Institut fr Normung.

Tabela 2.2algumas caractersticas

mecnicas do ao-carbono especificadas pela aBnt.

CAPTULO 2MECNICA 2

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Boro (B)

Tem sido usado com o objetivo de aumentar a temperabilidade. Em conjunto com o molibdnio, forma um grupo de aos bainticos de alta resistncia tra-o. O boro utilizado em algumas ligas para revestimento de superfcies.

2.3.3 Aos especiais

Aos Hadfield

O ao Hadfield um material que, quando deformado, endurece bastante na zona deformada. Tal caracterstica obtida pela adio do mangans na propor-o de 11% a 14% e carbono entre 1,1% e 1,4%. A adio do mangans nesse teor d ao ao grande resistncia a choques.

Aos-silcio

So empregados quando so necessrios materiais com boa permeabilidade magntica. Esse fenmeno ocorre porque o material tem resistncia bastante elevada. So utilizados em motores, alternadores, transformadores e outros equipamentos. A composio desses aos varia dentro dos seguintes teores:

C = 0,07;Mn = 0,4;Si = 2,4.

2.3.4 Aos inoxidveis

Esse tipo de ao apresenta maior resistncia corroso, quando submetido a de-terminado meio ou agente agressivo. Possui grande resistncia oxidao e a altas temperaturas em relao a outros tipos de aos.

A resistncia oxidao e corroso se deve presena do cromo, que, em con-tato com o oxignio, forma uma camada fina de xido de cromo sobre a super-fcie do ao, tornando-o impermevel e resistente a oxidaes. Assim, podemos definir como ao inoxidvel o grupo de ligas ferrosas resistentes oxidao e corroso, que contenham no mnimo 12% de cromo. O cromo favorece o endurecimento produzido pela tmpera em leo, dificulta a ferrugem e, assim, mantm o material brilhante na atmosfera.

A alta resistncia, combinada com a boa ductilidade, determinou o emprego do ao inoxidvel quando resistncia e leveza so importantes.

O ao inoxidvel classificado em trs grupos, de acordo com a microestrutura bsica formada:

martenstico; ferrtico; austentico.

Nquel (Ni)

O nquel aumenta a dureza do ao, sua resistncia e ductilidade. Afina a es-trutura sem prejuzo da usinagem. Atrasa o crescimento do gro. Em grandes quantidades, produz resistncia oxidao a altas temperaturas.

Cromo (Cr)

O cromo aumenta a temperabilidade do ao e contribui para a resistncia ao desgaste e dureza. Quando o cromo excede 11% em aos de baixo teor de carbono, uma camada formada na superfcie criando resistncia aos oxidantes. Aos com cromo so mais fceis de usinar do que aos com nquel de resistncia mecnica similar.Os aos com cromo so usados em matrizes, rolamentos, limas e ferramentas, em que so necessrias durezas elevadas.

Molibdnio (Mo)

O molibdnio aumenta a usinabilidade dos aos-carbono e a resistncia corro-so dos aos inoxidveis.

um elemento de alguns aos rpidos, aos resistentes corroso e a altas tem-peraturas.

Vandio (V)

O vandio aumenta a tenacidade e a resistncia. Conserva a dureza dos aos em temperaturas elevadas. Evita o crescimento do gro. Aumenta a resistncia fa-diga e ao choque.

Tungstnio (W)

O tungstnio aumenta a dureza do ao, a estabilidade a altas temperaturas, a profundidade de tmpera e a resistncia trao e ao desgaste. Em pequenas quantidades, melhora a resistncia aos cidos e corroso. Permite alcanar um elevado magnetismo no ao especial para eletroms.

Silcio (Si)

O silcio aumenta a resistncia dos aos pobres em carbono. Em pequena quan-tidade, produz forte dureza, resistncia ao desgaste e aos cidos.

Outros elementos

Cobalto (Co)

Tem alta solubilidade em ferro alfa e gama, mas fraca tendncia a formar car-beto. Reduz a temperabilidade, mas mantm a dureza durante o revenimento. utilizado em aos para turbinas e como liga em metais duros. Intensifica a influncia de elementos mais importantes em aos especiais.

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taurantes e cozinhas, peas de fornos e em componentes arquitetnicos ou decorativos.

Ao inoxidvel austentico

Tem como elemento de liga o nquel, que proporciona uma alterao em sua es-trutura capaz de elevar a resistncia mecnica e tenacidade. Apresenta excelente resistncia corroso em muitos meios agressivos.

Outros elementos, como molibdnio, titnio e nibio, se adicionados podem melhorar a resistncia corroso.

Dos trs grupos, os aos austenticos so os que apresentam maior resistncia corroso. Eles tm baixo limite de escoamento com alta resistncia trao e bom alongamento e oferecem as melhores propriedades para trabalho a frio. No aceitam tratamento trmico, mas sua resistncia trao e sua dureza po-dem ser aumentadas por encruamento. No so ferromagnticos. Apresentam boa usinabilidade e soldabilidade.

Os tipos AISI mais comuns so designados pelos nmeros 301, 302, 302B, 303, 304, 308, 309, 309S, 310, 316, 317, 321 e 347. As aplicaes desses aos inoxid-veis so: peas decorativas, utenslios domsticos, peas estruturais, componentes para indstria qumica, naval, alimentcia, de papel e at mesmo componentes que devam estar sujeitos a temperaturas elevadas, como peas de estufas e fornos, pela boa resistncia oxidao.

2.3.5 Aos rpidos

Os aos rpidos so aqueles que, depois de endurecidos por tratamento trmico, mantm a dureza. Apresentam como elementos de liga o vandio, o tungstnio e o cromo.

A maior eficincia dos aos rpidos foi conseguida pela adio do cobalto. A adi-o de 5% de cobalto ao ao com 18% de tungstnio faz aumentar a eficincia em 100%. Com a adio do cobalto, consegue-se usinar at o ao mangans. Quanto maior o teor de cobalto, mais frgil se torna o ao. Adicionando o va-ndio a essa liga, melhora a fragilidade. Por esse motivo, nos aos rpidos, o vandio sempre adicionado proporcionalmente ao cobalto.

2.3.6 Aos para ferramentas

Com a Revoluo Industrial aumentou a busca por ferramentas que pudessem oferecer melhor custo/benefcio, maior vida til e resistir a situaes mais seve-ras. As caractersticas e propriedades de novos materiais tiveram de ser estuda-das, e novas ligas especiais para ferramentas foram produzidas. Exemplos tpicos so os aos rpidos, desenvolvidos por Taylor em 1900.

Existem atualmente no mercado diversos tipos de aos ferramenta. Os tcnicos e pessoas envolvidos em um projeto devem consultar o produtor, pois em geral

Ao inoxidvel martenstico

obtido aps aquecimento em altas temperaturas e resfriamento rpido. Possui como caracterstica a alta dureza e fragilidade. Contm de 12% a 17% de cromo e de 0,1% a 0,5% de carbono (em certos casos at 1% de carbono) e pode atingir diversos graus de dureza aps tratamento trmico. Dificilmente atacado pela corroso atmosfrica no estado temperado e se destaca pela dureza. , tambm, ferromagntico.

um ao que apresenta trabalhabilidade inferior das demais classes e soldabi-lidade muito ruim.

A padronizao desse tipo de ao segue a norma AISI, cuja numerao distingue os teores de carbono, cromo e outros elementos de liga adicionados. Os tipos mais comuns so os aos 403, 410, 414, 416, 420, 420F, 431, 440A, 440B, 440C e 440F.

Os tipos 403, 410, 414, 416 e 420 caracterizam-se por baixo teor de carbono e um mnimo de 11,5% de cromo, que, no tipo 431, pode chegar a 17%.

Embora o carbono seja de baixo teor, esses aos possuem boa temperabilidade, por causa da presena do cromo. So usados em lminas de turbinas e compres-sores, molas, eixos e hlices de bombas, hastes de vlvulas, parafusos, porcas e outros equipamentos.

O tipo 420F possui carbono entre 0,30% e 0,40% e, nos tipos 440A, 440B e 440C, o teor de carbono mais elevado (mnimo de 0,60% no tipo 440A e mximo de 1,20% no tipo 440C). Aqueles cujo teor de cromo varia de 12,0% a 18,0% so chamados tipo cutelaria e empregados em cutelaria, instru-mentos cirrgicos, molas, mancais antifrico etc.

Ao inoxidvel ferrtico

Possui de 16% a 30% de cromo. No pode ser endurecido por tratamento tr-mico e basicamente usado nas condies de recozido. Depois de ser aquecido a altas temperaturas e resfriado rapidamente, apresenta estrutura macia e tenaz.

Possui maior usinabilidade e resistncia corroso que o ao martenstico por causa do maior teor de cromo. Apresenta boas propriedades fsicas e mecnicas e efetivamente resistente corroso atmosfrica e a solues fortemente oxidan-tes. , tambm, ferromagntico.

As aplicaes principais so aquelas que exigem boa resistncia corroso, tima aparncia superficial e requisitos mecnicos moderados. Apresenta tendncia ao crescimento de gros aps soldagem, particularmente para sees de grande es-pessura, e, portanto, experimentam alguma forma de fragilidade.

Os principais tipos designados pela AISI so: 405, 406, 430, 430F, 442, 443 e 446. So aplicados em equipamentos para a indstria qumica, para res-

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com baixos teores de carbono (0,25% a 0,60%). Algumas propriedades so ne-cessrias para a vida til desses aos ser mais bem aproveitada:

resistncia ao impacto;usinabilidade; resistncia deformao em temperaturas elevadas; resistncia a trincas por causa das altas temperaturas.

Podem ser encontrados aos ferramenta para trabalho a quente em diversas apli-caes, tais como:

moldes para fundio sob presso de materiais no ferrosos como alumnio, zinco e outros;

moldes para injeo de plsticos; ferramentas para corte a quente.

Ao Composio qumica Aplicaes (Exemplos)

% C % Cr % Mo % V % W % Nb

AISI H11 0,40 5,25 1,30 0,40 Matrizes para trabalho a quente, moldes para fundio sob presso de ligas leves.

AISI H12 0,40 5,30 1,45 0,25 1,30 Tesouras, pulses, mandris e facas para trabalho a quente.

AISI H13 0,40 5,25 1,40 0,90 Matrizes para forjamento e estampagem a quente.

AISI H20 0,30 2,65 0,35 8,50 Tesouras para corte a quente e mandris para fabricao de molas.

2.4 Ferros fundidosOs ferros fundidos so fabricados com ferro-gusa. So ligas de ferro e carbono com teor elevado de silcio. Nesse caso, o carbono est presente com valores situados entre 2% e 4,5%.

Como so compostos de trs elementos: ferro, carbono (2% a 4,5%) e silcio (1% a 3%), so chamados de liga ternria. Quando acrescentamos outros elementos de liga para dar alguma propriedade especial liga bsica, chamado de ferro fundido ligado.

Dependendo da quantidade de cada elemento e da maneira como o material resfriado ou tratado termicamente, o ferro fundido cinzento, branco, malevel ou nodular. O que determina a classificao em cinzento ou branco a aparncia da fratura depois do resfriamento. Essa aparncia, por sua vez, determinada pela forma como o carbono se apresenta depois que a massa metlica solidifica.

Tabela 2.4Composies bsicas e algumas aplicaes de aos para trabalho a quente.

so desenvolvidos diversos tipos de liga com composio qumica variada para diferentes aplicaes.

Em geral, a seleo correta de um ao para ser utilizado em ferramenta deve ser feita correlacionando-se as caractersticas metalrgicas do material com as exigncias de desempenho. O principal critrio o custo da ferramenta para a fabricao de determinado produto.

Esses aos usados na fabricao de ferramentas, por causa da grande solicitao mecnica, tm de apresentar boa ductibilidade, tenacidade, resistncia ao des-gaste. Por esse motivo, a maioria contm elevados teores de elementos de liga, combinados com altos teores de carbono.