Tecnologia dos materiais-Resistência

TECNOLOGIA DOS

MATERIAIS

Centro de Formação Profissional Euvaldo Lodi

Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI

Petrônio Machado Zica

Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia

Alexandre Magno Leão dos Santos

Gerente de Educação e Tecnologia

Edmar Fernando de Alcântara Elaboração

SENAI CETEM - BETIM

Unidade Operacional Centro de Formação Profissional Euvaldo Lodi

Sumário

NOÇÕES GERAIS DOS MATERIAIS METÁLICOS ..................................................... 05

CLASSIFICAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DE MATERIAIS........................................... 06

OBTENÇÃO DO FERRO GUSA E FERRO FUNDIDO.................................................... 23

AÇO .................................................................................................................................. 44

COMPORTAMENTO DAS LIGAS FUNÇÃO DA TEMPERATURA E COMPOSIÇÃO...74

DIAGRAMA FERRO-CARBONO..................................................................................... 83

TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS AÇOS ...................................................................... 97

METAIS NÃO-FERROSOS E LIGAS............................................................................. 121

SINTERIZAÇÃO ............................................................................................................. 138

MATERIAIS PLÁSTICOS............................................................................................... 146

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 169

Apresentação

“Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento. “

Peter Drucker O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção, coleta, disseminação e uso da informação. O SENAI, maior rede privada de educação profissional do país, sabe disso, e, consciente do seu papel formativo, educa o trabalhador sob a égide do conceito da competência:” formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos aprofundados,

flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da necessidade de educação

continuada.”

Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento, na sua área tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia, da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet - é tão importante quanto zelar pela produção de material didático. Isto porque, nos embates diários, instrutores e alunos, nas diversas oficinas e laboratórios do SENAI, fazem com que as informações, contidas nos materiais didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos. O SENAI deseja, por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada!

Gerência de Educação e Tecnologia

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS ____________________________________________________________

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NOÇÕES GERAIS DOS MATERIAIS METÁLICOS

Constituição da matéria A máteria é constituída de pequenas partes, chamadas átomos. O átomo constitui-se de um núcleo carregado de eletricidade positiva e em sua volta giram os elétrons carregados de carga negativa. O átomo é eletricamente

neutro, enquanto a carga positiva concentrada no seu núcleo é igual à carga negativa dos elétrons.

Representação convencional de um sistema planetário atômico segundo C. W. Richards.

O diâmetro dos átomos é muito pequeno, varia entre 2 e 5 Å (Angstrom). 1 Å = 10 – 10 m = 0,000.000.000.1 m ou 10-7 mm = 0,0000001 mm Em muitas substâncias os átomos se juntam em pequenos grupos formando as moléculas.

- Estrutura cúbica de corpo - Estrutura cúbica de faces

centrado. 9 átomos centradas. 14 átomos


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Exemplo: Uma molécula de água ( H2O) é constituída por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. As substâncias sólidas podem se apresentar no estado amorfo e no cristalino. Os corpos em estado amorfo, tem os átomos das moléculas desordenados, enquanto os corpos em estado cristalino tem os átomos ordenados e ligados por determinados pontos.

No caso dos materiais metálicos a disposição dos átomos no cristal elementar pode ser: - Cúbico de corpo centrado ( metais duros: ferro tungstênio, molibdênio,

vanádio, etc.). - Cúbico de faces centradas ( metais dúcteis: ferro, cobre, níquel , aluminío,

ouro, etc.). - Hexagonal (zinco e magnésio). No caso do ferro, na passagem do estado sólido para o estado líquido, temos um acréscimo de átomos, ou seja, o aumento da densidade. O conhecimento da temperatura exata onde se verifica tal fenômeno tem particular importância para a execução dos tratamentos térmicos dos materiais ferrosos. Classificação e Características de Materiais Introdução Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá. Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu custo. Classificação de materiais Apresentamos abaixo uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definido em função de suas características e propriedades.


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Conhecidas as classes dos materiais passemos agora a especificá-los por grupo e emprego a que se destinam, pois todos os materiais possuem características próprias que devemos conhecer para podermos empregá-los mais adequadamente. Materiais Metálicos Ao estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois grupos distintos: os ferrosos e os não-ferrosos Materiais Metálicos Ferrosos São os materiais metálicos que contém ferro em sua liga. Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se de grande importância na construção mecânica. Os materiais ferrosos mais importantes são: - Aço – liga de Fe e C com porcentagem de carbono até 2% - material

tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho podendo também ser forjado.

Materiais

Não-metálicos

Metálicos

Naturais

Sintéticos

Não-ferrosos

Ferrosos

Aço Ferro Fundido

Madeira Couro, etc.

Plásticos Resinóides

Pesados Leves


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- Ferro fundido – liga de Fe e C com porcentagem de carbono variando entre 2 e 5%, material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.

Como esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte das máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência. Materiais metálicos não-ferrosos São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos. Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade:

- Metais pesados - (ρ > 5 kg/dm³) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.

- Metais leves - (ρ ≤ 5 kg/dm³) alumínio, magnésio, titânio, etc.

Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos. Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos. Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas têm aumentado consideravelmente, principalmente na construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais. Materiais não-metálicos Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em:

- Naturais – madeira, couro, fibras, etc. - Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc.

Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos dos metais.


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Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm se tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc. Estrutura cristalina dos metais A maioria dos metais ao se solidificarem experimenta uma contração de volume, o que indica uma menor separação entre os átomos no estado sólido.

Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros. No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.

Arranjo dos átomos

Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresenta uma ordenação geométrica especial característica, que é uma função da natureza do metal. Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais não-metálicos, denomina-se estrutura cristalina. Tipos de estruturas cristalinas Dentre as estruturas destacamos três tipos:

- Rede cúbica de faces centradas Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.


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- Rede cúbica de corpo centrado Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.


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- Hexagonal compacta

Metais: Mg, Zn, Cd, Ti

A dimensão da rede varia de tipo para tipo.

A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende do tipo da estrutura cristalina. Nas estruturas do tipo rede cúbica de faces centradas, a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura hexagonal compacta a transformação é mais difícil de ser verificada. No processo de dobramento de metais que possuem o tipo hexagonal compacta, exemplo: Mg e Zn, a peça pode quebrar mais facilmente do que nos metais que possui estrutura do tipo rede cúbica de faces centradas, exemplo: aço ou Al. Formação da estrutura na solidificação A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do material, os seus constituintes e propriedades. No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura, diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles. Por isso os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais (embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominado eixo de cristalização. À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos.


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Observe abaixo o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.

O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e com o tipo de metal. Num mesmo metal podem se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de solidificação (velocidade de resfriamento e pressão). Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de grãos (estrutura fina). Caso contrário ocorre o inverso (estrutura grossa). As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração. A figura a seguir apresenta no diagrama de solidificação como se processa a formação dos metais durante o resfriamento.

Diagrama de solidificação

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS Propriedades Físicas e Químicas


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São propriedades que o material possui por natureza, independente de fatores externos. Peso Específico É o peso da unidade de volume de uma certa substância. Em razão do peso específico, os materiais se destinguem em pesados (> 4 kg/dm3) e leves (≤ 4 kg/dm3).

PESO ESPECÍFICO DE ALGUNS MATERIAIS (Kg/dm3)

Aço 7,86 Eternit 2,00

Alumínio 2,70 Ferro 7,86

Antimônio 6,70 Ferro Fundido 7,25

Baquelite 1,30 Grafite 2,00

Bismuto 9,80 Granito 2,60

Borracha 1,00 Latão 8,60

Bronze 8,80 Magnésio 1,75

Carvão 0,80 Ouro 19,30

Chumbo 11,34 Porcelana 2,40

Cobre 8,93 Prata 10,49

Cromo 7,10 Tijolos 1,80

Enxofre 2,00 Tungstênio 19,10

Estanho 7,28 Zinco 7,10

Ponto de Fusão É a temperatura na qual um metal passa do estado sólido para o líquido ou vice-versa.


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TEMPERATURA DE FUSÃO DE ALGUMAS SUBSTÂNCIAS (ºC)

Aço 1.400 Latão 1.000

Água (gelo) 0 Níquel 1.500

Bronze 960 Ouro 1.070

Chumbo 330 Prata 960

Cobre 1.083 Tungstênio 3.370

Estanho 232 Zinco 419

Ferro fundido 1.200

Condutibilidade Térmica e Elétrica Estas propriedades referem-se a atitude que o metal apresenta ao conduzir o calor e a eletricidade.


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Propriedades Mecânicas

Resistência à Tração É a propriedade que o material tem de resistir a atuação de uma carga com o sentido dirigido para o exterior da peça (puxada). Esta resistência varia de acordo com o material.

Resistência à Compressão É análoga à resistência à tração, a única diferença está na aplicação da força no material que é oposta a de tração, ou seja, quando a carga estiver dirigida para o interior da peça (empurrada).

Resistência à Flexão


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Resistência que o material tem a esforços de flexão veja figura a seguir.

Resistência ao Cisalhamento Resistência que o material de se romper, quando sofre ação de uma força cortante.

Resistência à Torção Resistência do material quando submetido a esforço de torção, quando atua um torque em umas das extremidades e um contratorque na extremidade oposta.

Resistência à Fadiga


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Quando um órgão mecânico é sujeito a esforços repetidos a sua resistência mecânica diminui e podemos ter a ruptura por fadiga. Resiliência É uma forma particular de resistência mecânica. É a resistência que um material opõe a esforços aplicados bruscamente (solicitações dinâmicas). Um material com elevada resiliência é tenaz, enquanto um material com baixa resiliência é frágil. Dureza A dureza de um material pode ser definida como a resistência à penetração. A dureza é muito importante para os efeitos dos tratamentos térmicos. Resistência ao Desgaste Resistência que o material tem de resistir ao desgaste por atrito, quando estiver submetido a tal processo. Propriedades Tecnológicas

Fusibilidade Propriedade que um material apresenta em fundir bem e sem defeitos. Maleabilidade Propriedade que um material apresenta de se deixar deformar a quente ou a frio sob ação de choques ou pressões, sem aparecer rupturas. Ductibilidade Propriedade que alguns materiais tem em se deixar transformar em fios e fitas. Soldabilidade Propriedade que alguns materiais apresentam em se deixar soldar sem excessiva dificuldade. Usinabilidade É uma das mais importantes propriedades tecnológicas. Geralmente, quanto mais duro for o material mais difícil será a usinagem do mesmo nas máquinas operatrizes.


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Propriedades dos materiais Na construção de peças e componentes, devemos observar se os materiais empregados possuem as diversas propriedades físicas e mecânicas que lhe serão exigidas pelas condições e solicitações do trabalho a que se destinam. A seguir mostraremos algumas dessas propriedades. Elasticidade

Uma mola deve ser elástica. Por ação de uma força, deve se deformar e, quando cessada a força, deve voltar à posição inicial.

Elasticidade

Para comprovarmos a elasticidade do aço para molas, prendemos a mola na morsa por um lado e a estiramos pelo outro lado até que se estique. Quando a soltamos, se a mola voltar à posição inicial é porque o aço possui boa elasticidade. Fragilidade Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choque, enquanto que os materiais menos duros resistem melhor aos choques. Assim, os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplos: Fofo, vidro, etc. Fusibilidade Propriedade que um material apresenta em fundir bem e sem defeitos. Maleabilidade Propriedade que um material apresenta de se deixar deformar a quente ou a frio sob ação de choques ou pressões, sem aparecer rupturas.


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Ductibilidade Pode-se dizer que a ductibilidade é o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de força se deformam plasticamente, conservando a sua coesão, por exemplo: cobre, alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc. Na figura a seguir temos um fio de cobre de 300 mm de comprimento. Se puxarmos este fio, ele se esticará até um comprimento de 400 a 450 mm sem se romper porque uma das qualidades do cobre é ser dúctil.

Ductibilidade

Tenacidade Se um material é resistente e possui boas características de alongamento para suportar um esforço considerável de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é chamado tenaz. A chave da figura abaixo pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é de um material tenaz.

Tenacidade

Dureza As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e possa penetrar em um material menos duro. A dureza é, portanto, a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.


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Dureza

Resistência Resistência de um material é a sua oposição à mudança de forma ao cisalhamento. As forças externas podem exercer, sobre o material, cargas de tração, compressão, flexão, cisalhamento, torção ou flambagem.

Flexão Cisalhamento

Torção Tração

Flambagem Compressão Toda força externa gera, no material, tensões de acordo com o tipo de solicitação. Elasticidade e plasticidade


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São propriedades de mudança de forma. Denominamos deformação elástica à deformação não permanente e deformação plástica à deformação permanente. Densidade A densidade de um material está relacionada com o grau de compactação da matéria. Fisicamente, a densidade (ρ) é definida pela massa (M) dividida pelo volume (v).

3/ dmkgV

M=ρ

Exemplo: o cobre tem maior densidade que o aço: ρcu = 8,93 kg/dm³ ρaço = 7,8 kg/dm³


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Questionário

1- Quais os materiais metálicos ferrosos mais importantes?

2- Como são classificados os materiais metálicos não-ferrosos em função da densidade?

3- Dê exemplos de materiais não-metálicos naturais e artificiais ou sintéticos.

4- Cite três tipos de estrutura cristalina dos metais e como elas se comportam frente à transformação mecânica.

5- Como ocorre a formação da estrutura cristalina na solidificação?

6- Comente as seguintes propriedades dos materiais: densidade, resistência, fragilidade, ductibilidade, tenacidade, elasticidade e dureza.


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Obtenção do Ferro Gusa e Ferro Fundido Introdução O elemento químico ferro é o metal mais usado para as construções mecânicas. Estudaremos como ele é extraído do minério e transformado e ferro gusa e depois em ferro fundido. Posteriormente estudaremos como o ferro gusa se transforma em aço. Obtenção do ferro gusa Os minérios de ferro são rochas que contêm óxidos de ferro ou carbonatos de ferro agregados a quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo, manganês.

Minério Designação química Fórmula química

Conteúdo de Fe

Magnetita Óxido ferroso férrico Fe304 60 a 70%

Hematita roxa Óxido de ferro anidro Fe403 40 a 60%

Hematita parda ou limonita

Óxido de ferro hidratado 2Fe203 + 3H20 20 a 45%

Siderita Carbonato de ferro FeC03 30 a 45%

Antes da fusão do minério no alto-forno para a obtenção do ferro gusa, o minério deve ser britado (quebrado). As impurezas pétreas são separadas por flotação e, em seguida, elimina-se a umidade e parte do enxofre. Os minérios de granulometria fina são compactados formando briquetes.


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Transformação do minério em metal A transformação do minério em metal é feita no alto forno que é um forno de cuba com uma altura de 30 a 80 m e um diâmetro máximo de 10 a 14 m.

Neste forno entra o minério e sai o ferro gusa que contém de 5 a 6% de carbono, ±3% de silício (Si), ±6% de manganês (Mn) assim como altos teores de enxofre e fósforo. Um teor alto de carbono, enxofre e fósforo tornam o ferro gusa muito frágil, não forjável e não soldável.


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Alto-forno (funcionamento) A transformação do minério em ferro gusa é feita em dois movimentos: o movimento descendente da carga (sólidos) em oposição ao movimento ascendente dos gases.

Alto-forno

As cargas introduzidas na goela do alto-forno para ser obtido o ferro gusa são as seguintes: - Minério – óxido de ferro (Fe203) quebrado e aglomerado. - Coque metalúrgico – possui grande resistência ao esmagamento e uma

excelente porosidade para deixar passar a corrente gasosa. - Fundente adicional – permite a separação do metal da ganga numa

temperatura relativamente baixa. A composição do fundente depende da natureza da ganga.


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Exemplos de fundentes: - Mn – atua como dissulfurante,

desoxidante e elemento de liga, 33 a 35 kg/ton de aço.

- Cal – adicionada para facilitar

a fusão da escória e é também um desfosforizante.

- Fluorita CaF2 – ajuda na

fluidificação da escória. Os movimentos descendente e ascendente no alto-forno formam as seguintes zonas: Secagem – (300ºC a 350ºC) A água contida nos elementos da carga é evaporada e parte do enxofre também. Redução – (350ºC a 750ºC) O minério (óxido de ferro) combina-se com o monóxido de carbono (CO) Carbonetação – (750ºC a 1150ºC) Com a temperatura elevada, o óxido de ferro entra em combinação parcial com o monóxido de carbono, formando o dióxido de carbono. Numa outra reação, o ferro (Fe) combina-se com o carbono formando a cementita Fe3C, numa combinação muito dura. Após a carbonetação, o ponto de fusão da liga ferro e carbono diminui bastante. Fusão – (1150ºC a 1800ºC) Corresponde à passagem do ferro carburado (o gusa) do estado sólido ao líquido. A transformação em líquido é feita numa temperatura aproximada de 1600ºC. O metal líquido escorre para o fundo do cadinho, enquanto que sobre o metal fica a escória,


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separada por diferença de densidade. A escória fica na superfície e protege o gusa contra a oxidação que o ar injetado das ventaneiras poderia provocar. O ferro gusa que sai do alto-forno pode ser solidificado em pequenos lingotes que servirão de matéria prima para uma segunda fusão, de onde resultará o ferro fundido, ou o gusa poderá ser transportado líquido (carro torpedo) para a aciaria. Ferro fundido

É uma liga de ferro carbono com um teor de carbono de 2% a 4,5%. Esse material se caracteriza frente ao aço por um ponto de fusão mais baixo e uma moldabilidade mais fácil. Portanto, para peças de forma complicada, a fundição em ferro fundido é mais econômica do que a fundição em aço. O ferro gusa é transformado numa segunda fusão em ferro fundido (FoFo). Esta fusão é feita em fornos tipo cubilot ou forno elétrico. A carga desses fornos é formada de lingotes de ferro gusa, sucata de aço e ferro fundido, coque e fundente (calcário), podem-se também adicionar elementos de liga como o cromo, níquel ou molibdênio. Através desta segunda fusão, obtém-se uma estrutura mais densa com a granulação mais fina e uniforme. Forno cubilot O forno cubilot é um forno de cuba, cilíndrico com um diâmetro de aproximadamente um metro, e uma altura de seis a oito metros. Compõe-se de uma camisa de chapa de aço revestida com um material refratário. Esse forno é carregado por cima, como o alto forno.

Forno cubilot


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Após o aquecimento, quando se encontra no estado líquido, o ferro fundido acumula-se em um cadinho, na parte inferior, e, em seguida, é feita a corrida. O ferro fundido é vertido em uma caçamba de fundição e transportado até os moldes onde são fundidas as peças. Tipos de ferro fundido O carbono contido no ferro fundido pode estar combinado com o ferro formando a cementita que é dura e quebradiça e apresenta uma fratura clara (ferro fundido

branco). Quando o carbono está separado do ferro formando veios de grafite, apresenta uma fratura cinzenta (ferro fundido cinzento). A quantidade e o tamanho dos veios de grafite que se formam dependem da composição química e da velocidade de resfriamento. Aumentando o teor de silício e diminuindo a velocidade de resfriamento, há maior formação de grafite. No entanto, se aumentarmos o teor de manganês e a velocidade de resfriamento, o carbono ficará combinado com o ferro formando a cementita.


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Ferro fundido cinzento (GG) Nesse tipo de ferro fundido, o carbono se apresenta na forma de veios de grafite. Esses veios de grafite (lamelas) são formados devido a um resfriamento lento no momento da fundição e/ou devido à composição química do material (alto teor de silício).

O ferro fundido cinzento ou lamelar (GG ou GGL) é, comercialmente, barato e tem as seguintes características quanto ao processo de fabricação: - Funde-se com facilidade - Contrai-se pouco ao esfriar - Tem pouca tendência a formar vazios internos - Apresenta boa usinabilidade O ferro fundido cinzento apresenta também as seguintes propriedades mecânicas: - Fragilidade (resiste pouco às solicitações por choque) - Resistência baixa a tração (causados pelos veios de grafite) - Boa capacidade de deslizamento (melhor que a do aço) - Resistência a compressão elevada - Grande poder de amortecimento interno de vibrações mecânicas A resistência à compressão e o poder de amortecimento de vibrações tornam o ferro fundido cinzento ideal para confecções de carcaças de motores e corpos de máquinas.


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Ferro fundido nodular (GGG) Se adicionarmos, na hora do vazamento do ferro fundido na panela, ligas de magnésio (níquel-magnésio ou ferro-silício-mangnésio), o grafite não se agregará sob a forma de lamelas e sim sob a forma de glóbulos. Por essa razão esse ferro fundido é chamado globular ou nodular.

O grafite estando na forma globular proporciona ao ferro fundido maior resistência a tração, flexão e alongamento. Outra característica do ferro fundido nodular é que ele resiste bem aos agentes químicos e ao calor. Por isso é muito usado em tubos e fornos de indústrias químicas, em máquinas agrícolas, na construção de tratores e automóveis, na construção de bombas e turbinas. Ferro fundido branco ou duro (GH) Nesse tipo de ferro fundido, o carbono está sempre combinado com o ferro, formando um componente duro na estrutura – a cementita (Fe3C). A cementita é formada devido a um resfriamento rápido do ferro fundido e devido à influência de elementos químicos: um teor de silício baixo e de manganês elevado.

Composição típica de ferro fundido duro C .............................. 2,8 a 4,0% Si ............................. 0,2 a 1,0% Mn ........................... 0,6 a 1,5%

S .............................. 0,2 a 0,45% P .............................. 0,15% máx.

Pela escolha adequada da composição química do ferro fundido e pelo controle da velocidade de resfriamento do metal no molde, é possível fazer uma peça onde a superfície seja de ferro fundido duro e o núcleo de ferro fundido cinzento.


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Essas características são interessantes para alguns tipos de peças como, por exemplo, a roda de trem, que deve ter resistência ao desgaste e, ao mesmo tempo, resistência a impactos. Ferro fundido maleável (GT) O ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco que é submetido a maleabilização (tratamento térmico posterior à fundição) tornando-se, assim, bem tenaz, algo deformável e facilmente usinável.

Composição típica de um ferro fundido branco

destinado a ser maleabilizado Carbono combinado ...... 3,0 a 3,50% Si ................................... 0,50 a 0,80% Mn ................................. 0,10 a 0,40% S ................................... 0,20 a 0,50% P ................................... 0,15% máx.

Distinguem-se dois tipos de ferro fundido maleável: - Ferro fundido maleável branco - Ferro fundido maleável preto Ferro fundido maleável branco (GTW) É próprio para a fabricação de peças pequenas de pequena espessura de parede. Essas peças são fundidas em ferro fundido branco e depois, por um longo tratamento térmico de descarbonetação, reduz-se o teor de carbono da superfície da peça de 2 a 4% para 1 a 1,5% (com isso conseguimos um material menos frágil). O tratamento de descarbonetação consiste em colocar as peças fundidas de ferro fundido branco em caixas contendo óxidos de ferro finalmente granulado. Depois, colocamos essas caixas em fornos a temperatura de 900 a 1050ºC durante dois a cinco dias. Ou segundo procedimento mais modernos, a peça é aquecida em fornos elétricos ou a gás com uma atmosfera oxidante. Através do aquecimento, o óxido de ferro se decompõe, liberando oxigênio que irá reagir com o carbono contido na peça. Com isso se reduz o teor de carbono na superfície da peça de 2,5 a 3,5% para 0,5 a 1,8%. A profundidade de descarbonetação é limitada e por isso se emprega esse tratamento em peças de paredes delegadas de até 12 mm.


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Ferro fundido maleável preto (GTS) Para a obtenção de ferro fundido maleável preto, faz-se um tratamento térmico de recozimento no ferro fundido branco (800 a 900ºC durante vários dias) em uma atmosfera neutra, por exemplo, envolvendo a peça em areia.

Diagrama do tratamento térmico

Nesse caso, a cementita do ferro fundido branco se decompõe em grafite em forma de nódulos e ferrita. Esse tipo de tratamento não depende da espessura da parede da peça. Na figura abaixo observamos um resumo de como são obtidos os vários tipos de ferros fundidos.

Obtenção dos vários tipos de ferro fundido


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O processo de fundição Para fundir uma peça, confecciona-se primeiro um modelo em madeira, aço, alumínio ou plástico, de acordo com os planos técnicos: Esse modelo deve ser um pouco maior do que a peça, devido à contração do metal ao se solidificar e esfriar conforme tabela.

Material Contração do metal

%

Aço 2

FoFo 1

Alumínio 1,25

Liga Cu-Zn-Sn 1,50

As figuras mostram a seqüência de fundição de uma peça.

Desenho da peça

Modelo fabricado em madeira, levando-se em conta a contração do metal. Este modelo é dividido em duas partes.

Coloca-se o modelo sob a caixa de fundição e compacta-se a areia.


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Macho fabricado de areia Colocação do macho no molde com resina para ter maior resistência

Vazamento do metal no molde Peça fundida com o canal de vazamento e massalote É importante notar que as propriedades mecânicas das peças fundidas variam dentro de uma mesma peça em função da espessura da parede, da forma de seção, da maior ou menor velocidade de resfriamento em cada ponto. As figuras a seguir mostram os defeitos mais comuns que aparecem nas peças fundidas. - Inclusões de escórias Escórias e óxidos metálicos que se misturam no metal durante o vazamento


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- Poros O material fundido não se solidifica uniformemente. A solidificação se produz de fora para dentro. Nos lugares mais grossos da peça, formam-se vazios que são denominados poros ou cavidades.

Para evitar esse problema, é conveniente que as peças fundidas não tenham uma variação brusca de espessura das paredes, ou que se acrescentem partes na peça que se solidifiquem por último e que irão conter os poros, bolhas e inclusões. Essas partes são chamadas de massalote e serão eliminadas depois. - Trincas A variação de seção provoca também diferentes velocidades de resfriamentos o que pode ocasionar diferentes estruturas e tensões internas na peça, provocando trincas. Para uniformizar a velocidade de resfriamento, pode-se alojar no molde placas de resfriamento.


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- Bolhas A umidade da areia do molde se decompõe em hidrogênio e oxigênio com a temperatura de vazamento do metal e esses gases penetram na estrutura do material.

- Desigualdade na espessura das paredes É provocada pelo deslocamento do macho durante o vazamento

- Paredes mais grossas e irregulares São provocadas pela compactação insuficiente da areia, que se desprende com a pressão do material durante a fundição.

Como descobrir defeitos de fundição Antes da usinagem, é interessante examinar as peças fundidas com a ajuda de raios X ou de ultra-som para detectar defeitos (bolhas ou inclusões internas). Caso contrário esses defeitos serão percebidos durante a usinagem o que acarretará uma perda de tempo e elevação dos custos.


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Classificação e nomenclatura dos ferros fundidos As normas especificam os ferros fundidos com letras e números onde cada um possui um significado. Nos exemplos abaixo temos especificações segundo a norma DIN e ABNT.

DIN GG 40 GGG 60 ABNT FC 40

Ferro fundido cinzento

Resistência à tração

400 N/mm²

Ferro fundido nodular

Resistência à tração

600 N/mm²

Ferro fundido cinzento

Resistência a tração

400 N/mm²

Características segundo DIN

Símbolo GG Densidade 7,25 kg/dm3 Ponto de fusão 1150 a 1250ºC Temperatura de fundição 1350ºC Resistência à tração 10 a 40 kg/mm2 Alongamento Insignificante Contração 1%

Composição

2,6 a 3,6% C 1,8 a 2,5% Si 0,4 a 1,0% Mn 0,2 a 0,9% P

0,08 a 0,12% S Classificação do ferro fundido cinzento O ferro fundido é classificado por suas classes de qualidade. Essas classes são especificadas por vários sistemas de normas tais como DIN, ASTM, etc. Por exemplo, a ABNT especifica as classificações da seguinte forma: - As classes FC10 e FC15 possuem excelentes fusibilidade e usinabilidade e

são indicadas, principalmente a FC15, para bases de máquinas e carcaças metálicas.

- As classes FC20 e FC25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas, barramentos, cabeçotes, mesas, etc.

- As classes FC30 e FC35 possuem maior dureza e resistência mecânica e aplicam-se em engrenagens, buchas, blocos de motor, etc.

- A classe FC40 de maior resistência que as outras possui elementos de liga, como cromo, níquel e molibdênio, sendo empregada em peças de espessuras médias e grandes.


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Classes de ferros fundidos cinzentos segundo ABNT

Classes Limite de resistência à tração (min.) x 10

[N/mm²]

Dureza brinell (Máximo)

Resistência à flexão estática (valores médios) x 10

[N/mm²]

FC10 10 201 -

FC15

23 18 15 11

241 223 212 201

34 32 30 27

FC20

28 23 20 16

255 235 223 217

41 39 36 33

FC25

33 28 25 21

269 248 241 229

- 46 42 39

FC30 33 30 26

269 262 248

- 48 45

FC35 38 31 35

- 269 277

- 51 54

FC40 40 36

- -

60 57

A ASTM agrupa os ferros fundidos cinzentos em sete classes. Os números das classes ASTM representam valores de resistência a tração em lb/pol2, os valores métricos para o limite de resistência a tração são aproximados.

Classes Resistência à tração Resistência à tração

20 20.000 lb/pol2 140N/mm2

25 25.000 lb/pol2 175N/mm2

30 30.000 lb/pol2 210 N/mm2

35 35.000 lb/pol2 245 N/mm2


39

40 40.000 lb/pol2 280 N/mm2

50 50.000 lb/pol2 350 N/mm2

60 60.000 lb/pol2 420 N/mm2

Classificação de ferro fundido nodular segundo ABNT especificação P-EB-585.

A título informativo

Classes

Limite de resistência

à tração (min.)

Kg/mm2

Limite de escoamento (0,2%) min.

Kg/mm2

Alongamento min.

%

Faixa de dureza

aproximada brinell

Estruturas predominantes

FE 3817 38,0 24,0 17 140-180 ferrítica

FE 4212 42,0 28,0 12 150-200 ferrítica-perlítica

FE 5007 50,0 35,0 7 170-240 ferrítica-perlítica

FE 6002 60,0 40,0 2 210-280 ferrítica

FE 7002 70,0 45,0 2 230-300 ferrítica

Aplicações dos ferros fundidos cinzentos, segundo as classes ASTM. Classes Espessura das peças Aplicações

20 Fina: até 13 mm Média: de 13 a 25 mm Grossa: acima de 25 mm

Utensílios domésticos, anéis de pistão, produtos sanitários, etc. Bases de máquinas, fundidos ornamentais, carcaças metálicas, tampas de poços de inspeção, etc. Certos tipos de tubos, conexões, bases de máquinas pesadas, etc.


Aplicações idênticas às da classe 20, quando se necessita de maior resistência mecânica.


Elementos construtivos: pequenos tambores de freio, placas de embreagem, cárters, blocos de motor, cabeçotes, buchas, grades de filtro, rotores, carcaças de compressor, tubos, conexões, pistões hidráulicos, barramentos e componentes diversos usados em conjuntos elétricos, mecânicos e automotivos.


Aplicações idênticas às da classe 30.


40


Aplicações de maior responsabilidade, de maiores durezas e resistência a tração, para o que se pode usar inoculação ou elementos de liga em baixos teores: engrenagens, eixo de comando de válvulas, pequenos virabrequins, grandes blocos de motor, cabeçotes, buchas, bombas, compressores, rotores, válvulas, munhões, cilindros e anéis de locomotivas, bigornas, pistões, hidráulicos, etc.


Aplicações idênticas às da classe 40.


É a classe de maior resistência mecânica, usando-se normalmente pequenos teores de Ni, Cr e Mo. Tambores de freio especiais, virabrequins, bielas, cabeçotes, corpos de máquina diesel, peças de bombas de alta pressão, carcaças de britadores, matrizes para forjar a quente, cilindros hidráulicos, etc.

Especificações ASTM de ferro fundido nodular

Classes

Limite de resistência

à tração min.

Kg/mm²

Limite de escoamento

min. Kg/mm²

Alongamento min. em 2”

% Condição Aplicações

ASTM-A 339-55

80-60-03 60-45-10

56 42

42 31,5

3 10

Fundido Geralmente

recozido Uso geral

ASTM-A 396-58

120-90-02 100-70-03

84 70

63 49

2 3

Tratado termicamente

Para elevada resistência mecânica

ASTM-A 395-56T

60-45-15 60-40-18

42 42

31,5 28

15 18

Recozido

Equipamento pressurizado

a temperaturas

elevadas Os números indicativos das classes referem-se aos valores:


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- Do limite de resistência a tração (em milhares de libras por polegada quadrada);

- Do limite de escoamento (em milhares de libras por polegada quadrada); - Do alongamento em porcentagem de um corpo de prova de 2”. Denominação de ferro fundido segundo norma DIN 17006 GG – Ferro Fundido Cinzento Exemplo: GG-18 Ferro fundido cinzento com resistência a tração de 180 N/mm² GGK Ferro fundido cinzento em coquilha GGZ Ferro fundido centrifugado


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GH – Ferro Fundido Duro Exemplo: GH-25 Ferro fundido com uma camada de ferro fundido branco de 25mm e o núcleo com ferro fundido cinzento GH-95 Dureza shore de 95

Observação: numeração até 50 especifica a profundidade da camada dura em milímetros. Numeração acima de 50 especifica a dureza shore.

GT – Ferro Fundido Maleável Exemplo: GTW-35 – Ferro fundido maleável branco com resistência a tração de 340 N/mm2 GTS-35 – Ferro fundido maleável preto com resistência a tração de 330 N/mm2

Ferro fundido com grafite lamelar Símbolo

Resist. tração N/mm²

Resist. flexão N/mm²

Densidade Kg/dm³ Propriedades

GG-10 100 - GG-20 200 350

7,2 Ferro fundido comum sem qualidade especial para uso geral.

GG-25 250 420

GG-35 340 530

GG-40 390 590

7,35 Ferro fundido de alta qualidade para peças altamente solicitadas como, por exemplo: cilindros, êmbolos.

Ferro fundido nodular Usinabilidade Propriedades

GGG-40 400 250 15 boa

GGG-50 500 320 7 muito boa

GGG-60 600 380 3 muito boa

GGG-70 700 440 2 boa

GGG tem propriedades semelhantes ao aço devido ao carbono em forma de grafite esferoidal.

Ferro fundido maleável Aplicação

GTW-40 390 215 5

GTW-55 540 355 5

GTW-45 440 295 7

Peças de parede fina de fundição tenaz, por exemplo: rodas, chaves conexões.


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Questionário 1 – Quais as substâncias que normalmente vem agrupadas com os minérios de ferro?

2 – Defina ferro fundido. 3 – Quais são os tipos de ferro fundido? Cite as suas propriedades gerais. 4 – Especifique FC-40, GG-30, GTS-40, GGG-60, FE4212. 5 – Como é feita a fundição em areia? 6 – Quais os defeitos mais comuns em peças fundidas?


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Aço

É uma liga de ferro e carbono que contém no máximo 2% de carbono, além de certos elementos residuais resultantes dos processos de fabricação. Obtenção do aço

O ferro gusa que sai do alto-forno tem alto teor de carbono (3 a 5%) e elevado teor de impurezas como enxofre, fósforo, manganês e silício. Para transformar o ferro gusa em aço, é necessário reduzir o seu teor de carbono (0–2%), manganês, silício e eliminar, ao máximo, o seu teor de fósforo e enxofre. Para tanto, existem vários processos. Processo Bessemer e Thomas-Bessemer O conversor Bessemer tem um revestimento de tijolos de sílica que não pode ser utilizado com ferro gusa rico em fósforo. O conversor Thomas-Bessemer, por sua vez tem um revestimento de tijolos de dolomita rica em cal adequada para trabalhar com ferro gusa rico em fósforo. Em ambos os processos, Bessemer ou Thomas-Bessemer, reduz-se o teor de carbono do ferro gusa pela injeção de ar por orifícios que existem no fundo do conversor. O ferro gusa líquido procedente do misturador é vertido no conversor em posição horizontal, adicionando-se cal ou dolomita.

Processo Bessemer e Thomas-Bessemer


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Colocando-se o conversor na posição vertical, o ar enriquecido com oxigênio é soprado durante dez a vinte minutos. Durante esse tempo o oxigênio reage com o carbono, e o silício, o manganês e a cal reagem com o fósforo formando a escória.

A escória do conversor Thomas-Bessemer é moída e utilizada como adubo por possuir alto teor de fósforo. Produtos do conversor Bessemer e Thomas-Bessemer - Aço ao carbono não-ligados

Conversor a oxigênio (LD) Nos conversores a oxigênio, é fabricada mais de 50% da produção mundial de aço. No Brasil, eles são também amplamente utilizados. A carga desse conversor é constituída de ferro gusa líquido, sucata de ferro, minério de ferro e aditivos (fundentes). Com uma lança refrigerada com água, injeta-se oxigênio puro a uma pressão de 4 a 12 bar no conversor. A oxidação do carbono e dos acompanhantes do ferro libera grande quantidade de calor. Para neutralizar essa elevada temperatura que prejudicaria o refratário, adiciona-se sucata ou minério de ferro. Pela adição de fundentes como a cal, os acompanhantes do ferro como o manganês, silício, fósforo e enxofre unem-se formando a escória.

Processo conversor a oxigênio (LD)


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Para aumentar a qualidade do aço, adicionam-se os elementos de liga no final ou quando o aço está sendo vertido na panela. Os aços produzidos no LD não contêm nitrogênio, pois não se injeta ar, daí a alta qualidade obtida. Esse conversor oferece vantagens econômicas sobre os conversores Thomas-Bessemer e Siemens-Martin. Produtos do conversor a oxigênio (LD) - Aços não-ligados - Aços para cementação

- Aços de baixa liga

Conversor Siemens-Martin O forno Siemens-Martin é um forno de câmara fixo. A carga do forno pode ser constituída de 70% de sucata de aço e o resto de ferro gusa e fundentes (cal) para formar a escória.

Representação esquemática de um forno Siemens-Martin

A temperatura de fusão é de 1.800ºC, que se consegue pela queima de gás ou óleo. Os gases produzidos pela combustão saem do forno e passam, através de um empilhamento de tijolos, pela parte inferior do forno (recuperador) onde cedem calor dirigindo-se depois para a chaminé. A cada vinte minutos mais ou menos, o sentido dos gases é invertido de modo que o ar passe pelo recuperador que está aquecido.


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Produtos do conversor Siemens-Martin - Aços carbonos não-ligados

- Aços de baixa liga

- Aços ferramenta que não exigem alta qualidade

Forno elétrico

Os aços finos, em particular os altamente ligados, são obtidos em fornos elétricos. Com o aço vindo do conversor a oxigênio ou Siemens-Martin e mais sucata selecionada alimenta-se o forno elétrico. Nesse forno, o aço é purificado e adicionam-se os elementos de liga desejados. Como a geração de calor se dá por uma corrente elétrica, não existe nenhuma chama de gás que desprenda enxofre. Existem dois tipos de fornos elétricos para a produção de aço: - Forno de arco voltaico - Forno de indução

O forno de arco voltaico tem dois ou três eletrodos de carvão. Ao ligar, a corrente elétrica salta em arco voltaico das barras de carvão passando pelo material a fundir. A temperatura obtida neste processo é da ordem de 3.600ºC, o que torna possível fundir elementos de liga como o tungstênio (temperatura de fusão 3.370ºC) ou o molibdênio (temperatura de fusão 2.600ºC).

Forno de arco voltaico Forno de indução No forno de indução a corrente alternada passa por uma bobina situada ao redor de um cadinho, com isto se induzem correntes parasitas no material a fundir que aquecem o banho. Esse forno é empregado para fabricação de aços altamente ligados e de ferro fundido nodular.


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Solidificação do aço Os aços produzidos nos conversores são colocados em panelas e destas panelas são vertidos em moldes de fundição ou em lingoteiras onde se solidificam em forma de lingotes quadrados ou redondos.

Esses lingotes serão transformados em produtos semi-acabados por meio de prensagem, forjamento ou laminação em chapas, barras de perfil L, U, redondas, sextavadas, etc.

O aço líquido dentro do molde começa a se solidificar das paredes para o centro da peça. Com o processo de solidificação, há formação de gases devido a reações químicas, tais como decomposição da água em hidrogênio e oxigênio, reação do carbono com o óxido de ferro gerando ferro e gás carbônico.


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As bolhas de gás ascendentes originam um forte movimento do aço que ainda está líquido, com isto os gases, o fósforo, o enxofre, o silício são deslocados para o interior do bloco que irá se resfriar por último. A esse processo chamamos segregação.

Lingote com massalote

As acumulações de fósforo no aço produzem fragilidade (perigo de ruptura na conformação a frio). As acumulações de enxofre no aço ocasionam fragilidade a quente (perigo de ruptura na laminação ou no forjamento). Altos teores localizados de W, Ti, Mo produzem pontos duros que podem ocasionar a ruptura das peças. Aços fundidos acalmados Para evitar o acúmulo de gases no interior do aço, são adicionados alumínio, silício ou manganês ao se fundir ou vazar o aço. O oxigênio se une a esses elementos formando óxidos metálicos que não podem ser reduzidos pelo carbono. Obtém-se por meio desse processo um aço acalmado. O aço solidificado acalmado possui uma boa homogeneidade e, desta forma, diminui-se a segregação. Os aços de qualidade são sempre acalmados, pois caso contrário o oxigênio oxidaria os componentes da ligação.

Bolhas e cavidades em lingotes de aço


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Tratamento a vácuo Os gases absorvidos pelo aço líquido são prejudiciais, por isso aços ligados de alta qualidade devem ser desgaseificados. Os óxidos (ferro ou elementos de liga) tornam o aço quebradiço; o nitrogênio produz envelhecimento; o hidrogênio produz fortes tensões e pequenas trincas entre os cristais.

Para desgaseificar o aço líquido se emprega o tratamento a vácuo. A figura mostra dois tipos desse tratamento.

Tratamento a vácuo

Os aços que passam por esse processo apresentam maior grau de pureza, o que resulta em maior tenacidade e melhor resistência à fadiga.


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Refusão elétrica sob escória Por esse processo, um bloco de aço ligado fundido em forno elétrico se torna um eletrodo e goteja através de escória, desembocando em uma coquilha de cobre refrigerada por água. A escória faz a vez de uma resistência elétrica, gerando calor necessário para a fusão, ao ser percorrida pela corrente elétrica.

Nessa escória, são retidas ao mesmo tempo as substâncias não desejadas e os gases dissolvidos no aço. Por esse processo, obtêm-se blocos (tarugos) de aço altamente ligados com uma textura uniforme sem segregação ou inclusões. Influência dos elementos de liga nos aços Devido às necessidades industriais, a pesquisa e a experiência possibilitaram a descoberta de aços especiais, mediante a adição e a dosagem de certos elementos no aço carbono. Conseguiram-se assim aços-liga com características como resistência a tração e a corrosão, elasticidade, dureza, etc. bem melhores do que as dos aços ao carbono comuns.


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Influência dos elementos de liga nas propriedades do aço

Elemento Eleva Abaixa

Carbono (C)

Resistência, dureza, temperabilidade.

Ponto de fusão, tenacidade, alongamento, soldabilidade e forjabilidade.

Silício (Si)

Elasticidade, resistência à tração, profundidade de têmpera, dureza a quente, resistência à corrosão, separação da grafite no ferro fundido.

Soldabilidade

Fósforo (P)

Fluidez, fragilidade a frio, resistência a quente.

Alongamento, resistência a choque.

Não metais

Enxofre (S)

Quebra de cavaco, viscosidade. Resistência a choque

Manganês (Mn)

Profundidade de têmpera, resistência à tração, resistência a choque, resistência ao desgaste.

Facilidade de ser transformado (laminado -trefilado); separação da grafite no ferro fundido.

Níquel (Ni)

Tenacidade, resistência à tração, resistência à corrosão, resistência elétrica, resistência a quente, profundidade de têmpera.

Dilatação térmica

Cromo (Cr)

Dureza, resistência à tração, resistência a quente, temperatura de têmpera, resistência a frio, resistência ao desgaste, resistência a corrosão.

Alongamento (em grau reduzido)

Vanádio (V)

Resistência à fadiga, dureza, tenacidade, resistência a quente.

Sensibilidade ao aparecimento de trincas por aquecimentos sucessivos

Molibdênio (Mo)

Dureza, resistência a quente, resistência à fadiga.

Alongamento, forjabilidade.

metais

Cobalto (Co)

Dureza, capacidade de corte, resistência a quente.

Tenacidade, sensibilidade ao aparecimento de trincas por aquecimentos sucessivos.


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Tungstênio (W)

Dureza, resistência à tração, resistência à corrosão, temperatura de têmpera, resistência a quente, resistência ao desgaste.

Alongamento (em grau reduzido)

Classificação dos aços Podemos classificar os aços segundo a sua aplicação em: - Aços de construção em geral - Aços para tornos automáticos

- Aços para cementação

- Aços para beneficiamento

- Aços para nitretação

- Aços inoxidáveis

- Aços para ferramentas:

- Para trabalho a frio - Para trabalho a quente

- Aços rápidos

Aços de construção em geral Os aços de construção em geral são aços básicos não-ligados que são selecionados pela sua resistência a tração e pelo seu limite de elasticidade, ou são aços não-ligados de qualidade que devem satisfazer exigências tais como forjabilidade e soldabilidade. Nesse último caso, são controlados os teores de carbono, fósforo e enxofre. Exemplos: Norma DIN


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St 37 St – aço 37 – Resistência mínima a tração de 37 x 10 N/mm2 = 370 N/mm2 C 10

C – aço ao carbono 10 – 0,10% teor de carbono CK 20 CK – aço ao carbono com baixo teor de fósforo e enxofre (P + S ≤ 0,01%) As aplicações comuns desses aços são em construção de edifícios, pontes, depósitos, automóveis e máquinas. Aços para torno automático São aços de qualidade não-ligados ou de baixa liga utilizados na fabricação de peças em tornos automáticos e devem desprender cavacos quebradiços e curtos. Esta propriedade (cavaco curto) obtém-se mediante um teor conveniente de enxofre. Os aços para tornos automáticos contêm: 0,07 a 0,65% de carbono, 0,18 a 0,4% de enxofre, 0,6 a 1,5% de manganês, 0,05 a 0,4% de silício e, quando se pede uma melhor fragilidade do cavaco e superfícies lisas, o aço deve conter, além dos elementos já citados, 0,15 a 0,3% de chumbo. Aços para cementação São aços com baixo teor de carbono (0,1 a 0,2%) que, por meio de um tratamento termoquímico, sofrem uma elevação de seu teor de carbono na superfície da peça a fim de aumentar a dureza superficial conservando o núcleo tenaz para resistir a choques. Exemplos: C 10 CK 10 16 Mn Cr 5 17 Cr Ni Mo 6


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Trata-se de aços de qualidade não-ligados, aços finos ou aços finos ligados. Na superfície da peça endurecida por cementação alcança-se uma dureza de 59 HRC. Aços para beneficiamento São aços que, por meio de um tratamento térmico de beneficiamento (têmpera mais revenimento), consegue-se um aumento de resistência, dureza e

tenacidade.


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Exemplos: C 30 CK 60 42 Cr M0 4 Os aços para beneficiamento não-ligados possuem um teor de carbono acima

de 0,3% e só se pode beneficiar uma camada delgada. Quando se deseja beneficiar uma camada mais espessa, empregam-se aços para beneficiamento ligados. As aplicações comuns desses aços são em: eixos, parafusos, engrenagens, molas. Aços para nitretação São aços que, pela introdução de nitrogênio por meio de tratamento termoquímico, aumenta-se a dureza superficial das peças (até 67 HRC). Exemplos: 31 Cr Mo 12 34 Cr Al Ni 7 Esses aços contêm cromo, molibdênio e alumínio que favorecem a absorção do nitrogênio. As aplicações comuns desses aços são em: engrenagens, matrizes de trabalho a quente. Aços inoxidáveis São aços que possuem um teor mínimo de 12% de cromo e se caracterizam pela sua grande estabilidade frente a substâncias agressivas (água, ar, gases, ácidos e bases). Exemplos: X 3 Cr Ni 18 10 X 10 Cr Ni Mo Ti 18 12 X 5 Cr Ni 18 9 As aplicações comuns desses aços são na indústria química e na de alimentos e em aparelhos cirúrgicos, talheres, etc.


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Aços para ferramentas São os que se empregam para trabalhar outros materiais com ou sem a remoção de cavacos. São subdivididos em: - Aços para trabalho a frio

- Aços para trabalho a quente

- Aços rápidos

Aços para trabalho a frio Destinam-se à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aço, ferro fundido e metais não-ferrosos. Exemplos: X 210 Cr 12 X 210 Cr W 12 X 155 Cr V Mo 12 1 As principais propriedades destes aços são: - Alta resistência à abrasão - Elevada resistência de corte

- Alta tenacidade

- Alta resistência a choque

- Grande estabilidade dimensional

As aplicações comuns desses aços são em facas e punções de corte, estampos de dobra, estampagem, cunhagem, matrizes, trefilação, etc. Aços para trabalho a quente São aços que se destinam à fabricação de ferramentas utilizadas no processamento a quente de materiais. Exemplos: X 37 Cr Mo W 5 1 X 40 Cr Mo V 5 1


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Suas principais características são alta resistência ao revenimento, elevada resistência mecânica a quente, boa tenacidade, grande resistência à abrasão em temperaturas elevadas, boa condutividade térmica, elevada resistência a fadiga e boa resistência à formação de trincas provocadas por aquecimentos e resfriamentos sucessivos. As aplicações comuns desses aços são em matrizes de forjamento, matrizes para fundição de latão ou alumínio sob pressão, matrizes para extrusão a quente, etc.

Aços rápidos São aços onde os elementos de liga formam carbonetos complexos que são duros e resistentes ao desgaste e a altas temperaturas. Norma DIN A seqüência dos componentes é sempre a mesma: W – Mo – V – Co Exemplo: S – 6 – 5 – 2 – 5 S – Aço rápido 6 – 6% W 5 – 5% Mo 2 – 2% V 5 – 5% Co São assim designados pela sua capacidade de usinar metais com velocidade de corte maior do que as possíveis com aços ferramenta ao carbono. As aplicações comuns desses aços são em: bits, fresas, brocas, machos, brochas, etc. Normas ABNT – SAE – AISI A ABNT se baseou nos sistemas americanos SAE e AISI, resultando a norma NBR 6006. Aço é a liga composta de ferro (Fe) e carbono (C). Contém, ainda, pequenas porcentagens de manganês (Mn), silício (Si), enxofre (S) e fósforo (P), que são considerados elementos residuais no processo de obtenção.


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O elemento que exerce maior influência é o carbono e o seu teor nos aços ao carbono varia de 0,008 a 2% C aproximadamente. O aço é representado por um número como nos exemplos abaixo. Exemplos: Aço ABNT 1010

1 – Classe de aço ao carbono 0 – 0% de elementos de liga 10 – 10/100 = 0,10% de carbono Aço ABNT 1060 1 – Classe de aço ao carbono 0 – 0% de elementos de liga 60 – 60/100 = 0,60% de carbono Os aços mais usados industrialmente possuem teores de carbono que variam entre 0,1 a 0,9%C, ou seja, aço 1010 a 1095, acima de 0,95%C são considerados como aços ao carbono especiais. Para fins de aplicações industriais e de tratamentos térmicos, os aços ao carbono classificam-se em: - Aços de baixo teor de carbono - 1010 a 1035 - Aços de médio teor de carbono - 1040 a 1065

- Aços de alto teor de carbono - 1070 a 1095


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A tabela a seguir apresenta os aços ao carbono para construção mecânica.

Classificação ABNT dos aços ao carbono

Designação Carbono % Manganês %

1006 0,08 máx 0,25 – 0,40

1008 0,10 máx 0,25 – 0,50

1010 0,08 – 0,13 0,30 – 0,60

1015 0,13 – 0,18 0,30 – 0,60

1020 0,18 – 0,23 0,30 – 0,60

1025 0,22 – 0,28 0,30 – 0,60

1026 0,22 – 0,28 0,60 – 0,90

1030 0,28 – 0,34 0,60 – 0,90

1035 0,32 – 0,38 0,60 – 0,90

1038 0,35 – 0,42 0,60 – 0,90

1040 0,37 – 0,44 0,60 – 0,90

1041 0,36 – 0,44 1,35 – 1,65

1043 0,40 – 0,47 0,70 – 1,00

1045 0,43 – 0,50 0,60 – 0,90

1050 0,47 – 0,55 0,70 – 1,00

1060 0,55 – 0,66 0,60 – 0,90

1070 0,65 – 0,76 0,60 – 0,90

1080 0,75 – 0,88 0,60 – 0,90

1090 0,85 – 0,98 0,60 – 0,90

1095 0,90 – 1,03 0,30 – 0,50


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A tabela abaixo apresenta a classificação dos aços-ligas, segundo ABNT.

Classificação ABNT dos aços-liga

Designação C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo %

1340 0,38 – 0,43 1,60 – 1,90 0,20 – 0,35 - - -

4130 0,28 – 0,33 0,40 – 0,60 0,20 – 0,35 0,80 – 1,10 - 0,15 – 0,25

4135 0,33 – 0,38 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,80 – 1,10 - 0,15 – 0,25

4140 0,38 – 0,43 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,80 – 1,10 - 0,15 – 0,25

4320 0,17 – 0,22 0,45 – 0,65 0,20 – 0,35 0,40 – 060 1,65 – 2,00 0,20 – 0,30

4340 0,38 – 0,43 0,60 – 0,80 0,20 – 0,35 0,70 – 0,90 1,65 – 2,00 0,20 – 0,30

5115 0,13 – 0,18 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,70 – 0,90 - -

5120 0,17 – 0,22 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,70 – 0,90 - -

5130 0,28 – 0,33 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,80 – 1,10 - -

5135 0,33 – 0,38 0,60 – 0,80 0,20 – 0,35 0,80 – 1,05 - -

5140 0,38 – 0,43 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,70 – 0,90 - -

5160 0,55 – 0,65 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,70 – 0,90 - -

E52100 0,95 – 1,00 0,25 – 0,45 0,20 – 0,35 1,30 – 1,60 - -

6150 0,48 – 0,53 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,80 – 1,10 - -

8615 0,13 – 0,18 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8620 0,18 – 0,23 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8630 0,28 – 0,33 0,70 – 0,90 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8640 0,38 – 0,43 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8645 0,43 – 0,48 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8650 0,40 – 0,53 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

8660 0,55 – 0,65 0,75 – 1,00 0,20 – 0,35 0,40 – 0,60 0,40 – 0,70 0,15 – 0,25

E9315 0,13 – 0,18 0,45 – 0,65 0,20 – 0,35 1,00 – 1,40 3,00 – 3,50 0,08 – 0,15

O tipo 6150 tem 0,15% de vanádio


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A tabela abaixo apresenta as classes de aços com suas respectivas composições segundo normas SAE – AISI – ABNT

Sistema SAE e AISI de classificação dos aços

Designação

SAE AISI Tipos de aço

10XX C 10XX Aços-carbono comuns 11XX C 11XX Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S. 13XX 13XX Aços-manganês com 1,75% de Mn

23XX 23XX Aços-níquel com 3,5% de Ni 25XX 25XX Aços-níquel com 5% de Ni 31XX 31XX Aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr 33XX E 33XX Aços-níquel-cromo com 3,5% de Ni e 1,57% de Cr

303XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Ni-Cr 40XX 40XX Aços-molibdênio com 0,25% de Mo

41XX 41 XX Aços-cromo-molibdênio, com 0,5% ou 0,95% de Cr e 0,12%, 0,2% ou 0,25% de Mo.

43XX 43XX Aços-níquel-cromo-molibdênio, com 1,82% de Ni, 0,5% ou 0,8% de Cr e 0,25% de Mo.

46XX 46XX Aços-níquel-molibdênio com 1,57% ou 1,82% de Ni e 0,2 ou 0,25% de Mo

47XX 47XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo.

48XX 48XX Aços-níquel-molibdênio com 3,5% de Ni e 0,25% de Mo 50XX 50XX Aços-cromo com 0,27%, 0,4% ou 0,5% de Cr. 51XX 51XX Aços-cromo com 0,8% a 1,05% de Cr

501XX - Aços de baixo cromo para rolamentos, com 0,5% de Cr. 511XX E511XX Aços de médio cromo para rolamentos, com 1,02% de Cr. 521XX E521XX Aços de alto cromo para rolamentos, com 1,45% de Cr. 514XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr 515XX - Aços resistentes à corrosão e ao calor ao Cr

61XX 61XX Aços-cromo-vanádio com 0,8% ou 0,95% de Cr e 0,1% ou 0,15% de V (min.).

86XX 86XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni, 0,5% ou 0,65% de Cr e 0,2% de Mo.


92XX 92XX Aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn, 1,4% ou 2% de Si e 0%, 0,17%, 032% ou 0,65% de Cr


98XX 98XX Aços-níquel-cromo-molibdênio com 1% de Ni, 0,8% de Cr e 0,25% de Mo.


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950 - Aços de baixo teor em liga e alta resistência XXBXX XXBXX Aços-boro com 0,0005% de B min.

XXLXX CXXLXX Aços-chumbo com 0,15% - 0,35% de Pb

Exemplo de utilização da tabela: 31XX 31 – Aços cromo-níquel XX - % de carbono Observações: Letras adicionais na nomenclatura do aço tem os seguintes significados: B ... Aço obtido pelo processo Bessemer B 1113 C ... Aço obtido em forno Siemens-Martin C 1145 E ... Aço obtido em forno elétrico E 3310 X ... Análise fora da norma TS... Norma estabelecida para prova ..B.. Aço contendo, no mínimo, 0,0005% de boro 46B12 LC .. Aço com um baixo teor de carbono C máx. de 0,03%C. F ... Aço de cavaco curto para tornos automáticos ..L.. Indica presença de chumbo (0,15% a 0,35% Pb)


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Normalização dos aços conforme norma DIN 17006 A norma DIN 17006 divide os aços em três tipos: - Aço sem ligas.

- Aço com baixa liga (≤ 5%)

- Aço com alta liga (> 5%)


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Designação e normalização dos aços sem ligas Aços de baixa qualidade - são tipos de aço de baixa pureza, sem ligas e que não podem ser tratados termicamente. São designados através das letras St (aço) e da resistência mínima a ruptura. St 37 St – aço

37 – Resistência mínima a ruptura = 37 x 10n/mm2 Aços ao carbono – tem melhor pureza, podem ser tratados termicamente. São designados através da letra C (carbono) e da porcentagem do carbono. C 10 C – aço ao carbono 10 = 10/100 = 0,1% C (teor de carbono) Para caracterizar a diferença dos aços finos não-ligados, além da letra C colocam-se letras com os seguintes significados: K – Aço fino com teor de enxofre mais fósforo menor do que 0,01% CK 20 CK – aço ao carbono de alta pureza (P + S ≤ 0,01%) 20 = 20/100 = 0,2% C (teor de carbono) f – Aço para têmpera a chama e por indução q – Aço para cementação e beneficiamento, adequado para deformação a frio. Cq 45 Cq – aço ao carbono para beneficiamento 45 = 45/100 = 0,45% C


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Designação e normalização dos aços com baixa liga São aços que possuem no máximo até 5% de teor de ligas Para designar o teor dos elementos de liga, os números na norma devem ser divididos pelos fatores correspondentes ao elemento químico. Os fatores são apresentados na tabela.

Fator 4 Fator 10 Fator 100 Co Al C Cr Mo P Mn Ti S Ni V N Si W

A norma se compõe dos seguintes elementos: - Não se coloca a letra C para carbono. - As outras letras definem os elementos de liga.

- Os números divididos pelos fatores definem o teor dos elementos e são

colocados na mesma seqüência, como as letras. Exemplo: 48 Cr Mo V 6 7 48 – 48/100 = 0,48%C Cr – 6/4 = 1,5%Cr Mo – 7/10 = 0,7%Mo V – Baixo teor de V Designação e normalização dos aços com alta liga São aços com um teor de liga acima de 5%. Para designá-los, coloca-se um X em frente ao teor de carbono. Todos os elementos, exceto o carbono, tem o fator 1, ou seja, os números apresentam o valor de teor real.


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Exemplos: X 210 Cr 12 X – aço com alta liga 210 – 210/100 = 2,1%C Cr – 12%Cr

X 5 Cr Ni Mo 18 13 X – aço com alta liga 5 – 5/100 = 0,05%C Cr – 18%Cr Ni – 13%Ni Mo – Baixo teor de Mo Aços rápidos para ferramentas são designados da seguinte forma: S 6 – 5 – 2 – 5 Coloca-se S (aço rápido) no início e os teores das ligas. O teor de carbono só pode ser determinado através da especificação do produtor. Exemplos: S 6 – 5 – 2 – 5 S 12 – 1 – 4 – 5 S – aço rápido S – aço rápido 6 – 6% W 12 – 12% W 5 – 5% Mo 1 – 1% Mo 2 – 2% V 4 – 4% V 5 – 5% Co 5 – 5% Co


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Designação completa segundo a Norma DIN A normalização compõe-se de três partes: - Obtenção

- Composição

- Tratamento

Exemplo: E C 35 V 70 E = Forno elétrico C = Aço ao carbono com 0,35%C V 70 = Beneficiado até uma resistência de 700 N/mm² Significado das letras

Obtenção Composição Tratamento

A – resistente ao envelhecimento

Ag – prata Al – alumínio As - arsênio

A - recozido

B – forno Bessemer B – boro Be – berílio Bi - bismuto

B – não se pode melhorar as características mecânicas por trabalho a frio

C

C – carbono Ce – cério Co – cobalto Cr – cromo Cu - cobre

E – forno elétrico EB – forno elétrico básico

E E – endurecido por cementação

F – forno de reverbero

Fe – ferro f – temperado com chama ou por indução

F – resistência à tração em Kp/mm²


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G – fundido GG – ferro fundido com grafite em lâminas GGG – ferro fundido com grafite em bolas (nodular) GH – ferro fundido duro GS – aço fundido GTW – fundido maleável duro GTS – fundido maleável preto GTP – fundido maleável perlítico GGK – fundido em coquilha GSK – aço fundido centrifugado

G G – recozido g – liso

H – fundido semi-acalmado H – chapas sem liga para caldeiras

H – temperado Hf – temperado por chama HJ – temperado por indução

J – forno elétrico de indução J J

K K – baixo teor de fósforo e enxofre

K – deformado a frio

L – metal para solda ou resistente a formação de trincas em solução alcalina LE – forno elétrico de arco

Li – lítio L

M – forno Siemens-Martin MB - forno Siemens-Martin básico MY - forno Siemens-Martin ácido

Mg – magnésio Mn – manganês Mo - molibdênio

m – superfície fosca

N N – nitrogênio Nb – nióbio Ni – níquel

N – normalizado NT – nitretado

P – soldável por pressão P – fósforo Pb - chumbo

P

Q – deformado a frio q – indicada para deformação a frio

Q


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R – acalmado RR – especialmente acalmado

R r – superfície áspera

S – soldável por fusão

S – enxofre Sb – antimônio Si – silício Sn – estanho St – aço sem dados químicos

S – recozido SH – descascado

T – forno Thomas Ta – tântalo Ti – titânio

T

U – fundido sem acalmar U U – superfície laminada ou forjada

V V – vanádio V – beneficiada

W W – tungstênio W – aço para ferramentas sem liga

X X – em aços de alta liga multiplicar por 1

X

Y – aço soprado com oxigênio

Y Y

Z – trefilado em barras Zn – zinco Zr – zircônio

Z


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A figura a seguir ilustra os principais meios de obter ferro fundido e aço.


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Questionário 1 – Qual a definição de aço? 2 – Qual a classe, porcentagem de elementos de liga do aço ABNT 1045?

3 – Quais os efeitos conseguidos com os aços-ligas ou especiais? 4 – Qual a identificação numérica dos aços ao molibdênio? 5 – Qual a classe, porcentagem de elementos de liga e porcentagem de carbono do aço AISI – 2515? 6 – Quais os elementos de liga e suas respectivas porcentagens do aço ABNT 8615? 7 – Qual o tipo se aço segundo as normas SAE521XX e AISI E521XX? 8 – O que especifica a norma DIN 17006? 9 – Qual o teor dos elementos de liga dos aços 17CrNiMo6, X5CrNiMo1813 e S12-1-4-5?


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10 – Na designação GTS70, qual o material e de quanto é sua resistência à ruptura? 11 – qual a forma de obtenção, composição e tratamento posterior do aço GS17CrMoV 5 11 N segundo a norma DIN 17006?


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Comportamento das ligas em função da temperatura e composição Introdução à liquefação e solidificação dos metais Toda matéria possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. Fundamentalmente o que diferencia um estado do outro é o grau de agregação dos átomos. O sólido é um estado no qual os átomos estão fortemente ligados, já no estado líquido essa ligação não é tão forte e, no estado gasoso, essa ligação não existe.

A mudança de estados da matéria ocorre com ganho ou perda de energia (calor). Para o estudo dos metais, o estado gasoso é pouco importante, portanto, trataremos apenas das fases sólida e líquida. Ao fornecermos calor a um material sólido, sua fusão ocorre em duas fases bem distintas: - Ao receber energia, os átomos aumentam sua vibração. Isso se traduz

fisicamente em um aumento de temperatura do corpo, até o ponto de sua temperatura de fusão. Nesta altura os átomos ainda estão fortemente ligados.

- Uma vez atingido o ponto de fusão, inicia-se o enfraquecimento das

ligações entre os átomos. Isso ocorre através do calor fornecido ao material.

O calor não mais servirá para aumentar as vibrações dos átomos, mas sim para enfraquecer as suas ligações, não haverá aumento em sua temperatura até que todas as ligações sejam enfraquecidas, tornando-se líquido o material.


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Ao calor necessário para aumentar o estado de vibração dos átomos (aumentar a temperatura) chamamos de calor sensível. Já o calor necessário para enfraquecer (ou destruir completamente, no caso de vaporização) as ligações atômicas é chamado calor latente. Vamos usar o zinco para exemplificar esse processo.

Liquefação e solidificação do Zn

No diagrama coloca-se na coordenada vertical a temperatura (em ºC) e na coordenada horizontal, o tempo (em segundos). No aquecimento contínuo, a temperatura aumenta em função do tempo. Quando chegar ao ponto de sólido (419ºC), o metal começa a se liquefazer. Apesar da mesma quantidade de calor recebida, a temperatura permanece constante, isso porque todo o calor é gasto pela mudança do estado de agregação. Esta zona horizontal é chamada ponto de parada. A temperatura voltará a aumentar somente quando todo o metal estiver liquefeito. Embaixo do ponto sólido, o estado de agregação é sólido, acima do ponto de líquido, passa a ser líquido. Na zona dos pontos de parada, o estado de agregação é líquido ou sólido. No processo de resfriamento a seqüência ocorre na ordem inversa. Ligas metálicas Antes de falarmos sobre ligas metálicas, é importante definir o que vem a ser uma solução sólida. Dá-se o nome de solução a uma mistura na qual não se consegue distinguir os seus diversos componentes.


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Cada um dos componentes possíveis de serem distinguidos será chamado fase.

Uma solução que se encontra em estado sólido é chamada solução sólida.

Esquema de estrutura bifásica

Uma é ferro puro (ferrita) e a outra cementita Exemplo: nos aços temos uma solução sólida de Fe e C. Essa solução é chamada cementita. Ligas metálicas são misturas, em solução, de dois ou mais metais: Exemplos: Cu – Ni Cu – Zn (latão) Cu – Sn (bronze) Fe – C (aço) Praticamente, todos os metais utilizados na indústria não são puros, mas sim ligas de uma ou mais fases.


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Composição de ligas metálicas Os diferentes elementos que compõem uma liga metálica são chamados componentes. Observe os exemplos abaixo.

Tipos de ligas metálicas

Solução sólida ou cristais mistos

Mistura de cristais Combinações intermetálicas

Mistura de dois ou mais metais que formam uma rede cristalina conjunta durante o processo de solidificação. Exemplos: Cu – Ni Cu – Au Os elementos são solubilizados entre si no estado líquido e sólido. A solução no estado sólido chama-se cristal misto

Mistura de dois ou mais metais que formam cada um a sua rede cristalina na própria, independente dos outros. Exemplos: Cd – Zn Al – Si Os elementos são parcialmente solúveis entre si no estado sólido.

Combinação química entre dois metais ou um metal e um não-metal. Exemplos: F3C (cementita) Ca – Mg Cu – Mg - A rede cristalina é complexa - As características são alta dureza e fragilidade


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Liquefação e solidificação das ligas Solução sólida ou cristal misto No processo de solidificação de uma liga de dois metais, que formam cristais mistos, a transformação do estado líquido para o estado sólido não se faz no ponto de parada, mas durante um intervalo de solidificação. No ponto líquido começam a se formar os primeiros cristais mistos. A formação

e o crescimento desses cristais continuam até o ponto sólido. Em temperaturas abaixo do ponto sólido, a liga está totalmente no estado sólido.

Os componentes de uma liga têm diferentes pontos líquidos e necessitam de diferentes quantidades de calor para a sua solidificação, portanto se variarmos as porcentagens dos elementos de ligas, variarão as temperaturas dos pontos líquidos e dos pontos sólidos. Unindo todas as temperaturas de ponto líquido e todas as temperaturas de ponto sólido, obtemos o diagrama de fases.

Desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu-Ni (cristais mistos)

Interpretação do diagrama de fases


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Exemplo: para uma liga de 20% Ni e 80% Cu.

- A linha horizontal mostra a composição (em %). Quando temos 20% Ni,

automaticamente teremos 80% Cu. - Para cada composição temos uma temperatura inicial e uma final de

solidificação. Para a liga com 80% Cu – 20% Ni, a solidificação inicia-se no ponto B e termina no ponto D, abaixo do qual a liga está totalmente sólida. Acima do ponto B a liga está totalmente líquida.

- Para cada composição, temos então dois pontos que geram duas linhas, dividindo o diagrama em três partes.

- Para resfriamento, a linha chamada liquidus indica, para cada composição,

a temperatura em que se inicia a solidificação e a sólidus, onde termina. - Cada região do diagrama indica fases. Acima da linha liquidus - fase

totalmente líquida, abaixo da linha solidus – fase totalmente sólida, e, entre as duas, temos o intervalo de solidificação, onde estão presentes duas fases, sólida e líquida.

- Seguindo a linha ABCDE traçada no diagrama, teremos para a liga 80 Cu –

20 Ni o que está descrito na tabela.

Ponto Nº de fases presentes

Tipo da fase Interpretação da liga

A 1 Líquida Totalmente líquido B 1 Líquida Inicia-se solidificação C 2 Líquida e sólida Líquido – sólido D 1 Sólida Final de solidificação E 1 Sólida Totalmente sólido


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Mistura de cristais No processo de solidificação de uma liga de dois elementos que formam uma mistura de cristais, temos uma concentração definida, onde a curva de resfriamento dessa mistura é igual à curva de resfriamento de um metal puro.

Curva de resfriamento do eutético

A liga com essa concentração tem o ponto líquido mais baixo que todas as outras concentrações e é chamada de liga eutética.

Ligas Componentes Temperatura de

fusão

Temperatura de fusão da liga eutética

Ferro 96% 1535ºC Ferro fundido

Carbono 4% 3840ºC 1200ºC

Cobre 55% 1083ºC Solda prata

Prata 45% 961ºC 620ºC

Alumínio 88% 660ºC Alumínio fundido por pressão Silício 12% 1414ºC

577ºC

Chumbo 87% 327ºC Chumbo duro

Antimônio 13% 630ºC 251ºC

Na solidificação de uma liga que tem composição diferente da composição eutética, o elemento que está em maior proporção que a liga eutética começa a se solidificar até que a fase líquida atinja a composição eutética, ocorre então a solidificação da fase eutética em uma única temperatura.


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Curva de resfriamento de concentração diferente do eutético.

Diagrama de fases de um sistema que forma mistura de cristais Na figura vemos o diagrama de fases Pb–Sn que forma uma mistura de cristais. A forma de obter este diagrama é análoga à do diagrama de fases de cristais mistos vista anteriormente.

Combinações intermetálicas A curva de resfriamento de uma combinação intermetálica correspondente à curva de um metal puro e será estudada no diagrama Fe-C.


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Questionário 1 – Comente o diagrama de liquefação e solidificação do Zn, considerando: T (C), t(s), ponto de sólido, ponto de parada, ponto de líquido, curvas (resfriar e aquecer).

2 – Explique por que no ponto de parada a temperatura é constante em um intervalo de tempo definido. 3 – Descreva um processo de solidificação de uma liga de dois metais que formam cristais mistos. 4 – Consulte o diagrama de fases para uma liga Cu – Ni (cristais mistos) e diga em quais porcentagens de Cu – Ni o intervalo de solidificação é maior. 5 – O que é uma liga? 6 – Explique os tipos de ligas e cite exemplos. 7 – Defina o que significa eutético, usando o diagrama de fases para o sistema Sn–Pb. 8 – Consulte a tabela de ligas eutéticas e cite os componentes, a temperatura de fusão e a temperatura eutética.


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Diagrama ferro-carbono Liquefação e solidificação do ferro puro Da mesma forma como foram apresentados os metais anteriormente, podemos apresentar a curva de solidificação (liquefação) do ferro puro, como

mostra o gráfico ao lado. Existem quatro pontos de parada: - A 1.536ºC o ferro puro se

solidifica em rede cúbica de corpo centrado (c.c.c), chamada ferro δ (delta) e assim permanece até 1.392ºC.

- A 1.392ºC o ferro muda de

estrutura para a estrutura cúbica da face centrada (c.f.c) chamada ferro γ (gama) ou austenita.

- Abaixo de 911ºC o ferro

muda de estrutura novamente para a cúbica de corpo centrado (c.c.c) chamada ferro α (alfa).

- Abaixo de 769ºC o ferro é

magnético. Isso ocorre devido a um rearranjo dos elétrons de cada átomo.

A distância entre os átomos na estrutura c.f.c. é maior do que na estrutura c.c.c., portanto nesse estado é mais fácil aceitar átomos estranhos, como por exemplo, átomos de carbono. A esse fenômeno damos o nome de solubilidade no estado sólido. O ferro puro raramente é usado, o mais comum é estar ligado com o carbono. Em função da adição de carbono no ferro puro, as temperaturas de transformação irão se alterar conforme veremos a seguir.

Solidificação do ferro puro


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Diagrama ferro carbono O diagrama ferro-carbono pode ser dividido em três partes: - De 0 a 0,05%C – ferro puro.

- De 0,05 a 2,06%C – aço.

- De 2,06 a 6,7%C – ferro fundido.

Construção do diagrama ferro-carbono O diagrama ferro-carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre na têmpera, no recozimento e nos demais tratamentos térmicos. Para melhor entendermos o diagrama completo, que será visto mais a frente, façamos uma série de experiências com seis corpos de provas conforme tabela.

Corpo de prova Teor de

carbono (%) 1 0,2 2 0,4 3 0,6 4 0,86 5 1,2 6 1,4

Aquecemos os corpos de prova com aplicação constante de calor e medimos em intervalos regulares (cada cinco minutos) a temperatura dos corpos de prova. Já sabemos que a característica da curva é semelhante à das outras ligas. No corpo de prova nº 1 com 0,2% de C, observamos que há uma variação na velocidade da elevação da temperatura a 723ºC (AC1) e a 860ºC (AC3), que chamamos de ponto de parada.


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Determinando as temperaturas AC1 e AC3 ou ACcm dos outros corpos de prova conforme as figuras abaixo, poderemos construir parte do diagrama ferro-carbono simplificado, unindo todas as temperaturas AC1 e todas as temperaturas AC3, conforme veremos no exercício a seguir.


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Exercício 1 – Com base na tabela, construa o diagrama Fe-C simplificado: - Coloque no gráfico todos os pontos de parada.

- Trace uma linha ligando todos os pontos AC1.

- Trace outra linha ligando todos os pontos AC3 e ACcm.

Observação: O diagrama Fe-C, completo poderá ser visto mais à frente.

Tabela – Pontos de parada dos corpos de prova

Temperatura Corpo de prova AC1

ºC AC3 ou ACcm

ºC 1 723 AC3 = 860 2 723 AC3 = 820 3 723 AC3 = 775 4 723 ................ 5 723 ACcm = 890 6 723 ACcm = 990

Diagrama ferro-carbono (simplificado)


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Estrutura do aço no resfriamento lento O diagrama de fases da figura anterior corresponde ao diagrama de uma mistura de cristais como já foi visto no diagrama de fases Pb–Sn, com a diferença que para o sistema Pb–Sn a transformação era líquido-sólido e neste diagrama (Fe–C) ocorre uma transformação de estrutura dentro do estado sólido. A presença do carbono faz com que o ferro mude de estrutura cúbica de face centrada (austenita) para cúbica do corpo centrado (ferrita) a uma temperatura

diferente de 911ºC.

Essa temperatura varia em função do teor de carbono no ferro e é representada no gráfico acima pela linha G–S–E. Acima da linha G–S–E há uma solução com uma única fase: o ferro γ + C = austenita.

Estrutura austenítica

Abaixo da linha G–S–E o ferro começa a mudar de estrutura, de cúbica de face centrada (ferro γ) para cúbica de corpo centrado (ferro α).


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Como o ferro α não consegue dissolver todo o carbono, forma-se uma segunda fase que é a cementita (Fe3C) que contém 6,67% de C.

Estrutura da cementita Fe3C

Abaixo da linha P–K, vamos ter uma solução sólida com duas fases α + cementita. Agora vamos estudar novamente os corpos de prova. Começamos com o corpo de prova nº 4 com 0,86% de carbono.

Aço eutetóide – 0,86% C


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Aço eutetóide Este aço quando está acima de 723ºC tem uma estrutura cúbica de face centrada (austenita) e todo o carbono está dissolvido nela. Abaixo de 723ºC o ferro muda de estrutura para cúbica de corpo centrado (ferrita). A ferrita não consegue dissolver o carbono e por isso forma-se uma estrutura

mista constituída de lâminas de ferrita (ferro puro) e lâminas de cementita (Fe3C). a essa estrutura dá-se o nome de perlita.

Micrografia de um aço eutetóide mostrando a estrutura de perlita

O aço com 0,86% de carbono tem uma única temperatura de transformação e por isso ele é chamado também de aço eutetóide. A figura anterior mostra um aço eutetóide visto ao microscópio, observa-se que 100% da estrutura é perlita. Vamos agora estudar o corpo de prova nº3 com 0,6% de carbono.


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Aço hipoeutetóide

O diagrama da figura acima indica que acima da linha G–S o aço apresenta-se com a estrutura do ferro γ ou austenita. Abaixo da linha G–S, tem início a transformação do ferro γ (austenita) em ferro α (ferrita). Como a ferrita não contém carbono, a austenita que ainda não se transformou, vai se enriquecendo de carbono. Quando o aço atinge a temperatura de 723ºC a austenita que ainda não se transformou, transforma-se em perlita.

Micrografia de um aço hipoeutetóide com

estrutura de ferrita e perlita Na figura acima observamos a estrutura de um aço hipoeutetóide (carbono entre 0,05% até 0,86%), constituído de ferrita (partes clara) e perlita (partes com lamelas).


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Agora vamos estudar o corpo de prova nº 5 com 1,2% de carbono. Aço hipereutetóide Os aços com teor de carbono acima de 0,86% até 2,06% são denominados aços hipereutetóides.

O diagrama da figura acima indica que acima da linha S–E o aço apresenta-se com a estrutura de ferro γ (austenita). Abaixo da linha S–E, a austenita já não consegue dissolver todo o carbono e por isso começa a se formar a cementita (Fe3C) que contém 6,7% de carbono. Essa cementita vai se localizar nos contornos dos grãos de austenita. A austenita por sua vez vai se empobrecendo de carbono. Ao atingir 723ºC no resfriamento, tem-se cementita (Fe3C) e austenita com 0,86%C. Ao abaixar mais a temperatura, essa austenita se transforma em perlita (lamelas de ferrita + cementita).

Micrografia de um aço hipereutetóide


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Na figura anterior vemos um aço hipereutetóide onde observamos a perlita e a cementita (parte clara) no contorno dos grãos. O diagrama de equilíbrio ferro-carbono Na figura a seguir apresentamos o diagrama de equilíbrio Fe–C completo.

Diagrama ferro-carbono completo


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Exercícios 1 – A figura a seguir mostra várias regiões do diagrama Fe–C pelas quais passa um aço com 0,4%C ao ser resfriado.

Complete o quadro abaixo informando: - Qual o estado físico? - Quais as fases presentes?

- Comente qual é a estrutura do ferro e como se encontra o carbono.

Ponto Temperatura aproximada

Estado físico

Fases presentes

Comentários

A < 1.500ºC líquido líquida Todo o C dissolvido

B 1.500ºC

C 1.450ºC

D 1.430ºC

E 1.000ºC

F 800ºC

G 760ºC

H 723ºC (T.crítica)

I < 723ºc


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2 – A figura a seguir mostra as várias regiões do diagrama Fe–C pelas quais passa um aço 0,9%C ao ser resfriado.

Complete o quadro abaixo informando: - Qual o estado físico? - Quais as fases presentes?

- Comente qual a estrutura do ferro e como se encontra o carbono

Ponto Temperatura aproximada

Estado físico

Fases presentes

Comentários

A < 1.600ºC líquido líquida Todo o C dissolvido no Fe

B 1.480ºC

C 1.450ºC

D 1.350ºC

E 1.000ºC

F 780ºC

G 750ºC

H 723ºC

I < 723ºC


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Considerações gerais - Tudo o que foi dito com relação ao resfriamento vale também para o

aquecimento. - A condição para que essas transformações de estrutura ocorram é a

baixa velocidade de resfriamento. - Se resfriarmos um aço rapidamente, outras estruturas diferentes das

escritas no diagrama Fe–C se formarão. Esse é o princípio dos tratamentos térmicos, que veremos nas páginas seguintes.

Resumo Ferrita - O ferro na forma cúbica de corpo centrado. - O carbono é insolúvel na ferrita.

- É macio e dúctil.

Cementita - Carbeto de ferro - a composição da cementita corresponde à fórmula Fe3C.

Isso corresponde a um teor de carbono de 6,67%. - É muito dura.

Perlita - É uma combinação de ferrita e cementita. - Possui um teor médio de carbono de 0,86%.

Austenita - Ferro na forma cúbica de face centrada. - Consegue dissolver até 2% de carbono.


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Questionário 1 – Qual é a nomenclatura dos aços em função do teor de carbono? 2 – Descreva e comente a composição da ferrita e da perlita

3 – Qual a composição estrutural de um aço com 0,45% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura ambiente? 4 – Qual a composição de um aço com 1,2% de carbono, esfriado lentamente até a temperatura ambiente? 5 – Faça um comentário a respeito de estrutura austenítica. 6 – Descreva as estruturas cristalinas do ferro puro, designando a temperatura de transformação. 7 – Descreva as transformações da estrutura do aço no aquecimento em função do carbono. 8 – Denomine a estrutura dos aços abaixo em função da temperatura. Consulte o diagrama ferro-carbono. 0,3%C a 810ºC 0,86%C a 723ºC 1,4%C a 560ºC 1,7%C a 900ºC


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Tratamentos térmicos dos aços Introdução Os tratamentos térmicos consistem de aquecimento, tempo de permanência a determinada temperatura e resfriamento. A estrutura de aço estudada no diagrama Fe–C só é obtida se o resfriamento for bem lento. Se o resfriamento for mais rápido, obtêm-se outras estruturas que

serão estudadas a seguir. Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos Velocidade de aquecimento A velocidade de aquecimento deve ser adequada à composição e ao estado de tensões do aço.

Como tendência geral o aquecimento muito lento provoca um crescimento excessivo dos grãos tornando o aço frágil. Entretanto, um aquecimento muito rápido dos aços ligados ou em aços com tensões internas (provocadas por fundição, forjamento, etc.) poderá provocar deformações ou trincas. Temperatura de aquecimento A temperatura de aquecimento deverá ser adequada para que ocorram as modificações estruturais desejadas. Se ela for inferior a essa temperatura, as modificações estruturais não ocorrerão; se for superior, ocorrerá um crescimento dos grãos que tornará o aço frágil.


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Tempo de permanência na mesma temperatura O tempo de permanência na mesma temperatura deve ser o suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme em toda a seção, e os átomos de carbono se solubilizem totalmente. Se o tempo de permanência for além do necessário, pode haver indesejável crescimento dos grãos. Resfriamento As estruturas formadas no diagrama de equilíbrio Fe–C só vão se formar se o resfriamento for muito lento.

Diagrama Fe-C

Para a austenita se transformar em ferrita, cementita e perlita não há só a necessidade de o ferro mudar de reticulado cristalino, mas também envolve a movimentação dos átomos de carbono, através da austenita sólida, e isso leva algum tempo. A austenita possui um reticulado cúbico de face centrada (c.f.c) e consegue dissolver o carbono; já na ferrita (cúbico de corpo centrado – c.c.c) o carbono é praticamente insolúvel.


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Quando resfriamos rapidamente um aço ele se transforma de c.f.c. para c.c.c. e o carbono permanece em solução. Isso cria uma estrutura deformada, supersaturada de carbono que recebe o nome de martensita que é tetragonal e não cúbica.

Devido a essas microtensões criadas no reticulado cristalino pelo carbono é que a martensita é dura, resistente e não dúctil.

Efeito do teor de carbono sobre a dureza de martensita

Nos tratamentos térmicos, variando as velocidades de resfriamento obtemos diferentes estruturas e com isso obtemos diferentes durezas, resistência à tração, fragilidade, etc. Com o auxílio do diagrama de transformação isotérmica também chamado de curva T.T.T. (tempo, temperatura, transformação), poderemos entender melhor os fenômenos que ocorrem quando o aço é resfriado a diferentes velocidades de resfriamento.


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Curva T.T.T.

Curva T.T.T. A figura anterior mostra a curva T.T.T. do aço 43MnCr6. Se esfriarmos esse aço lentamente, com a velocidade de esfriamento da curva V, obtém-se uma estrutura com 15% de ferrita e 85% de perlita, que terá uma dureza de 22 HRC. Se aumentarmos a velocidade de resfriamento, obtêm-se uma estrutura mais fina e com maior dureza (curva IV). Se resfriarmos como na curva II, obtém-se a estrutura de bainita que é uma estrutura intermediária entre a martensita e a perlita, isto é, é cementita dispersa em ferrita. Com a velocidade de resfriamento da curva I, obtém-se uma estrutura de 100% de martensita que terá uma dureza máxima para esse aço (61HRC). Essa velocidade é chamada de velocidade crítica.


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Os meios de resfriamento são os responsáveis pelas diferentes velocidades de resfriamento. O quadro a seguir acompanha em ordem decrescente de velocidade alguns meios de resfriamento. Os elementos de liga no aço, de uma forma geral, diminuem a velocidade crítica de resfriamento para a formação de martensita.

Em linha cheia vê-se o diagrama T.T.T. de um aço 1050 comum. Em linha tracejada pode-se observar a influência da adição de 0,25% de molibdênio sobre o mesmo aço. Portanto, o meio de resfriamento deve ser mais brando, como é, por exemplo, o óleo, ou mesmo o ar. Recozimento É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários dos seguintes objetivos: - Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente; - Reduzir a dureza do aço para melhorar sua usinabilidade;

- Diminuir a resistência a tração;

- Aumentar a ductibilidade;

- Regularizar a textura;

- Eliminar efeitos de quaisquer tratamentos térmicos.


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Recozimento total ou pleno Consiste em aquecer o aço a mais ou menos 50ºC acima da linha G–S–K e manter essa temperatura o tempo suficiente para que ocorra a solubilização do carbono e dos outros elementos de liga no ferro gama (austenita). Em seguida, deve-se fazer um resfriamento lento.

O resfriamento é feito dentro do próprio forno, controlando-se a velocidade de resfriamento. Obtém-se desse recozimento uma estrutura de perlita grosseira que é a estrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio teor de carbono (0,2 a 0,6%); para aços com o alto teor de carbono é preferível a estrutura de esferoidita que veremos no recozimento de esferoidização. A figura abaixo mostra a curva T.T.T. do aço AISI 5140 com a curva de resfriamento do recozimento.


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Curva T.T.T. de aço AISI 5140 com 0,43%C, 0,68%Mn e 0,93%Cr

Recozimento de esferoidização O recozimento de esferoidização objetiva transformar a rede de lâminas de cementita em carbonetos mais ou menos esféricos ou esferoiditas.

Esse tratamento melhora a usinabilidade e ductibilidade dos aços de alto teor de carbono.


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Para ocorrer essa transformação, o aço deve ser aquecido a uma temperatura entre 680ºC a 750ºC, em função do teor de carbono.

Processos de recozimento

Esta temperatura deve ser mantida o tempo suficiente para homogeneizar a temperatura em toda a peça e o resfriamento deve ser lento, cerca de 10ºC a 20ºC por hora. Recozimento sub crítico Consiste em aquecer o aço a uma temperatura entre 550 a 650ºC (abaixo da zona crítica) com a finalidade de promover uma recristalização em peças que foram deformadas a frio (laminação, forjamento) ou para aliviar tensões internas provocadas nos processos de soldagem, corte por chama, solidificação de peças fundidas.


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Normalização A normalização consiste em aquecer as peças 20ºC a 30ºC acima da temperatura de transformação (linha G–S–E) e resfriá-las mais rápido que no recozimento, porém mais lento que na têmpera. O mais comum é um resfriamento ao ar.

Temperatura para normalização

O objetivo desse tratamento é obter uma granulação mais fina e uniforme dos cristais, eliminando as tensões internas. A normalização é usada em aço, após a fundição, forjamento ou laminação e no ferro fundido após a fundição. Têmpera dos aços A têmpera é um tratamento térmico que executamos em aço quando desejamos aumentar sua dureza e resistência mecânica. Conseguimos isso mudando a estrutura do aço (de ferrita + perlita) para uma estrutura martensítica. A operação consiste basicamente em três etapas: - Aquecimento. - Manutenção de uma determinada temperatura.

- Resfriamento.


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Aquecimento O aço deve ser aquecido em torno de 50ºC acima da zona crítica (linha G–S–K) para que nos aços hipoeutetóides a perlita e a ferrita se transformem em austenita.

Temperatura de têmpera

Para os aços hipereutetóides, a temperatura pode ser mais baixa (± 50ºC acima da linha S–K). Nessa temperatura a perlita se transforma em austenita e a cementita já é um constituinte duro. Manutenção da temperatura É o tempo necessário para que toda a peça chegue a uma mesma temperatura e se solubilize totalmente o carbono.

Meios de resfriamento

Solução aquosa a 10% NaOH Solução aquosa a 10% NaCl Solução aquosa a 10% Na2CO3 Água 0ºC Água a 18ºC Água a 25ºC Óleo Água a 50ºC Tetracloreto de carbono Água a 75ºC Água a 100ºC Ar líquido Ar vácuo


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Resfriamento O resfriamento deve ser feito em um meio que possibilite uma velocidade crítica, permitindo obter a estrutura de martensita. Esse meio pode ser: água, sal moura, óleo ou mesmo o próprio ar dependendo da velocidade de resfriamento que se precise. A figura a seguir mostra a curva de resfriamento para temperar o aço 1080; a

linha Ms indica o início e a linha Mf, o fim da transformação da austenita em martensita.

Curva T.T.T. do aço ABNT 1080 mostrando a curva de resfriamento para a têmpera

Revenimento dos aços O revenimento é um tratamento térmico que normalmente se realiza após a têmpera com a finalidade de aliviar tensões internas, diminuir a dureza excessiva e fragilidade do material, aumentando a ductibilidade e a resistência ao choque. O revenimento consiste em aquecer a peça entre 100 e 400ºC e resfriar lentamente.


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Beneficiamento Consiste em fazer uma têmpera, seguida de um revenimento a uma temperatura entre 450º a 650ºC. Os fabricantes de aço costumam fornecer diagramas semelhantes aos da figura a seguir de onde se escolhe a temperatura de revenimento em função das características mecânicas desejadas.

Efeito da temperatura de revenimento sobre a dureza e a resistência ao choque de um aço ABNT 1045

Alguns tipos de aços quando revenidos dentro de uma faixa de temperatura apresentam um aumento da fragilidade, medida em ensaio de resistência ao choque. Essa faixa de temperatura deve ser evitada revenindo-se a uma temperatura mais baixa ou a uma temperatura mais alta seguida de um resfriamento rápido (água ou óleo). Por exemplo: Aços Cr–Ni (tipo SAE 3140 e semelhantes) quando revenidos na faixa de 455ºC a 593ºC ou se aquecidos acima desta temperatura e resfriados lentamente, apresentam baixa resistência ao choque. Entretanto se aquecidos, por exemplo, a 620ºC e resfriados rapidamente, sua resistência ao choque será satisfatória. As causas deste fenômeno ainda estão sendo estudadas. Atribui-se esse fato a uma possível precipitação de uma fase frágil dentro desta faixa de temperatura. Sabe-se que elevados teores de manganês, fósforo e cromo acentuam o fenômeno enquanto o molibdênio o retarda.


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Tratamento térmico de aços ligados Para a determinação das temperaturas deve-se sempre consultar as tabelas e diagramas do fornecedor.

Curvas obtidas com corpos de prova tipo ABNT, L = 50 mm D = 10 mm, usinados de barras com 25 mm de diâmetro normalizadas a 870ºC, temperadas de 840ºC em óleo

e revenidas nas temperaturas indicadas (aço ABNT 4340) Em geral, os aços ligados necessitam de temperaturas altas para dissolver os carbonetos de elementos de liga (Cr, W, Mo, Ni). O resfriamento é menos brusco (óleo, ar) e a estrutura obtida é mais fina (grãos menores). O revenimento após a têmpera deve ser iniciado o mais depressa possível, e em alguns casos é recomendado mais de um revenimento devido ao problema da austenita retida. Austenita retida Alguns aços ligados ao serem resfriados da temperatura de têmpera não se transformam inteiramente de austenita em martensita. Essa austenita que não se transformou (austenita retida) pode se transformar depois de algum tempo. Isso provoca uma variação dimensional da peça que poderá causar uma trinca. Nesses casos, recomenda-se fazer mais de um revenimento. No primeiro, a austenita retida se transformará em martensita; observa-se um aumento da


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dureza. Em seguida, um segundo revenimento, as tensões da martensita serão aliviadas e o material se estabilizará. Outro tratamento que pode ser executado nesses aços é o tratamento subzero. Tratamento subzero Consiste em se resfriar o aço a temperaturas muito inferiores a ambiente, para que ele atinja a linha de fim da transformação martensítica Mf na curva T.T.T.

Recorre-se a esse tratamento quando a estabilidade dimensional de ferramentas ou calibres situa-se em faixas muito apertadas de tolerância. Normalmente o primeiro tratamento subzero é executado após um primeiro revenimento, pois seria fatal para a peça um resfriamento direto da temperatura de austenitização. Em instrumentos de alta precisão podem ser adotadas séries de cinco a seis ciclos sucessivos de resfriamentos subzeros e revenimentos. Os meios usados podem ser uma mistura de gelo seco em álcool (-70ºC) ou nitrogênio líquido (-195ºC). A figura abaixo apresenta a curva T.T.T. do aço SAE D3 que apresenta forte tendência à retenção de austenita após a têmpera. Devido a essa tendência, recomenda-se resfriar o material a temperaturas de –70 a –80ºC, logo após a têmpera, seguida de revenimento normal.

Curva T.T.T. do aço SAE D3 (villares VC130), composição 2% C, 12% Cr


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A figura a seguir mostra a variação da dureza em função da temperatura usada para revenir.

Curva de revenimento para o aço SAE D3

Têmpera superficial Na têmpera superficial produz-se uma mudança da estrutura cristalina localizada apenas na superfície do aço, que adquire as propriedades e características típicas da estrutura martensítica. Esse processo tem como objetivo aumentar consideravelmente a resistência ao desgaste na superfície e manter a tenacidade do núcleo. Devem ser empregados aços de 0,3% a 0,6% de teor de carbono. A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: chama e indução. Têmpera por chama O aquecimento da peça é feito por meio da incidência de uma chama oxiacetilênica na superfície da peça, a uma temperatura acima da zona crítica (723ºC), atingindo uma camada predeterminada a endurecer; em seguida é feito um resfriamento por jateamento de água.


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Existem vários métodos de aquecimento. As figuras mostram os tipos de aquecimento para têmpera superficial: - Circular e linear.

Têmpera superficial circular Têmpera superficial linear método combinado progressivo-giratório Têmpera superficial por indução O calor para aquecer a peça até a temperatura de austenitização pode ser gerado na própria peça por indução eletromagnética. A peça a ser temperada é colocada dentro de uma bobina. Um gerador fornece a corrente elétrica de alta freqüência, que cria um campo magnético na bobina. Esse campo magnético provoca um fluxo de corrente elétrica na peça (princípio da indução). O aquecimento da peça é gerado pela resistência do material ao fluxo da corrente elétrica.

Processos de têmpera superficial por indução

Alcançada a temperatura de têmpera, resfria-se rapidamente a peça por meio de um jato de água ou óleo.


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Tratamentos termoquímicos Os processos termoquímicos são aplicados nos aços com baixo teor de carbono com o objetivo de aumentar sua dureza superficial e a resistência ao desgaste, mantendo o núcleo dúctil e tenaz. Absorvendo um elemento endurecedor, o material modifica sua composição química superficial.

Os tratamentos termoquímicos mais usados são: - Cementação - Nitretação

- Boretação

Esses tratamentos são feitos com substâncias sólidas, líquidas ou gasosas. Cementação A cementação se aplica a aços com até 0,25% de carbono e com o baixo teor em elementos de ligas. O aço é colocado em meio rico em carbono e aquecido a uma temperatura acima da temperatura de transformação em austenita, pois neste estado ele consegue dissolver melhor o carbono. A profundidade de penetração do carbono depende do tempo de cementação.


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Como o processo se dá por difusão, a camada superficial apresentará grande saturação do elemento carbono, decrescendo em direção ao núcleo como mostra a figura a seguir.

Difusão do carbono na cementação

Temperatura de cementação As temperaturas de cementação mais elevadas favorecem a penetração reduzindo o tempo de cementação, porém, conferem uma granulação mais grosseira, o que reduz os limites de resistência à tração, torção, flexão, etc. Os valores mais usuais de temperatura de cementação oscilam de 850ºC a 950ºC. Tempo de cementação O tempo de cementação é determinado em função da espessura da camada cementada desejada, da temperatura e do meio cementante. Obviamente, quanto maior for o tempo e mais alta a temperatura, mais profunda será a camada. Meios de cementação A cementação, quanto aos meios cementantes, pode ser: - Sólida (caixa) - Líquida (banho em sais fundidos)

- Gasosa (fornos de atmosfera)


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Aplicação da cementação Peças como engrenagens, eixos, parafusos, etc., que necessitam de resistência mecânica e de alta dureza na superfície e núcleo dúctil com boa tenacidade.

Cementação Meios cementantes

Sólida Carvão vegetal duro Carvão coque 20% Ativadores 5 a 10%

Líquida

Cianetos de sódio Cianetos de bário Cianatos de sódio Cianatos de bário outros sais

Gasosa Gás metano Gás propano, etc.

Nitretação A nitretação, semelhantemente à cementação, é um tratamento de endurecimento superficial em que se introduz superficialmente nitrogênio no aço até uma certa profundidade, a uma temperatura determinada em ambiente nitrogenoso. A nitretação é realizada com os seguintes objetivos: - Obtenção de elevada dureza superficial, maior do que nos outros

processos, exceto na boretação; - Aumento da resistência ao desgaste;

- Aumento da resistência à fadiga;

- Aumento da resistência à corrosão;

- Melhoria da resistência superficial ao calor.

A nitretação é realizada com temperatura inferior à zona crítica de 500 a 560ºC, tornando as peças menos suscetíveis a empenamentos ou distorções. Após a nitretação não há necessidade de qualquer tratamento. A nitretação pode ser feita em meio líquido ou gasoso, devendo ser aplicada em peças temperadas. O nitrogênio introduzido na superfície combina-se com o ferro, formando uma camada de nitreto de ferro de elevada dureza. Na nitretação gasosa, o elemento nitretante é a amônia que se decompõe, parcialmente, fornecendo o nitrogênio.


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Nesse processo, o tempo de formação da camada é muito grande, como mostra o gráfico abaixo.

Diagrama da nitretação gasosa

Na nitretação líquida, o meio nitretante são banhos de sais fundidos, em geral cianetos e cianatos, responsáveis pelo fornecimento do nitrogênio. A nitretação líquida apresenta vantagens sobre a gasosa, pois confere ao aço camadas mais profundas em menos tempo e reduz a possibilidade de deformações. Oferece bons resultados também para os aços comuns ao carbono. O gráfico abaixo nos mostra a influência do carbono e das ligas na profundidade da camada nitretada.

Diagrama de nitretação líquida


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Boretação É o processo mais recente dos tratamentos superficiais no aços liga, ferro fundido comum e nodular. O processo se efetua em meio sólido de carboneto de boro a uma temperatura de 800ºC a 1.050ºC. O composto formado na superfície é o boreto de ferro, com dureza elevadíssima, na faixa de 1.700 a 2.000 vickers.

A alta dureza da camada boretada oferece elevada resistência ao desgaste e, inclusive, elevada resistência à corrosão. Essa camada é o resultado do tempo de boretação. Um aço SAE 1045 boretado a 900ºC apresentou o seguinte resultado: - Camada 100µ em 4 horas - Camada 150µ em 8 horas

- Camada 200µ em 12 horas

O aço boretado é usualmente temperado e revenido.


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Resumo dos ciclos de tratamentos térmicos

Tratamento Finalidade

- Remover tensões de trabalhos mecânicos a frio ou a quente. - Reduzir dureza. - Melhorar a usinabilidade.

- Obter granulação mais fina. - Eliminar tensões internas originadas da fundição, forjamento ou laminação.

- Aumentar a dureza, resistência à tração.

- Aumentar a dureza superficial e manter o núcleo da peça dúctil e tenaz.

- Aumentar a dureza superficial, resistência à fadiga, a corrosão. - Melhorar a resistência superficial ao calor.


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Exercício Preencha os quadros abaixo de acordo com o gráfico


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Questionário 1 – Qual a propriedade que a têmpera confere aos aços e como se realiza a operação? 2 – Compare a estrutura do aço existente antes da têmpera com a estrutura formada após a têmpera.

3 – Quais os fatores (e suas características) que influem nos tratamentos térmicos? 4 – Consulte as curvas T.T.T. do aço 43MnCr6, determine as estruturas em porcentagem e dureza em HRC, aplicando a curva de velocidade de resfriamento IV. 5 – Defina as faixas de temperatura para os seguintes processos: recozimento, normalização, revenimento e beneficiamento. 6 – Qual a finalidade do processo de recozimento, normalização e beneficiamento? 7 – Quais as finalidades dos processos de têmpera superficial? 8 – Quais os tipos de aços indicados para os processos de têmpera superficial? 9 – Que tipos de aço podem ser utilizados para os processos de cementação e nitretação? 10 – Quais os objetivos e vantagens da nitretação?


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Metais não-ferrosos e ligas Introdução Os metais não-ferrosos têm aumentado cada vez mais a sua importância no mundo moderno, quer substituindo o ferro, quer formando ligas com o ferro para melhorar as suas características. Podemos classificá-los em dois grandes grupos:

1 – Metais pesados cuja densidade é maior que 5 Kg/dm³. 2 – Metais leves cuja densidade é menor ou igual a 5 Kg/dm³.

Metais não-ferrosos

Metais pesados ρρρρ >>>> 5kg/dm3 Metais leves ρρρρ ≤≤≤≤ 5kg/dm3

Cobre Cu Manganês Mn Chumbo Pb Vanádio V Zinco Zn Cobalto Co Níquel Ni Cádmio Cd Estanho Sn Alumínio Al Tungstênio W Magnésio Mg Molibdênio Mo Titânio Ti Cromo Cr A maioria dos metais puros são moles e tem baixa resistência a tração. Mas essas propriedades podem ser melhoradas pela adição de elementos de ligas. Pela adição de elementos de liga, quase sempre se aumentam a dureza e a resistência a tração, diminui-se o alongamento, e a condutibilidade elétrica piora.


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A obtenção dos metais Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal, contêm também impurezas, tais como: oxigênio, hidrogênio e enxofre. A quantidade (porcentagem) de metal varia em função do tipo de minério. O quadro abaixo mostra esquematicamente o processo de obtenção da maioria dos metais.

Para obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos além do processo normal de obtenção do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal.

Obtenção dos metais

Minério

Calcinação

Redução

Metal puro

Eliminação das impurezas

Metal siderúrgico

Metal bruto


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Normalização Segundo DIN 1700 Para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do grau de pureza. Exemplo:

Zn 99,99 Zn – símbolo 99,99 – grau de pureza Para ligas adota-se a seguinte forma:

Produção ou aplicação Composição Propriedades especiais

F-40 = Resistência a tração em Kgf/mm2 G = Fundido W = Macio h = Duro

GD = Fundido a pressão Wh = Dureza de laminado

GK = Fundido em coquilha

Zh = Dureza de trefilado

Gz = Fundido por centrifugação

P = Dureza de prensagem

150Hv = Dureza vickers V = Liga prévia de adição

bk = Brilhante Gl = Metal antifricção para mancais

gb = Decapado

g = Recozido L = Metal para solda

1- Símbolo químico do metal base

2- Símbolo químico

dos elementos de liga seguidos de seu teor em porcentagem

dek = Oxidável com efeito decorativo

Exemplos: 1 – GD-Zn Al4 Cu1 – Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de Al, 1% de Cu. 2 – AlCu Mg1 F40 – Liga de alumínio com 1% de Cu e resistência a tração de 40Kgf/mm² ≈ 390N/mm². Exercício Explique as denominações das ligas abaixo: Gl Sn80 Al Cu Mg1 W Al Mg Si1 dek F28 Gk Cu Al10 ni


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Metais não-ferrosos pesados Cobre (Cu) Propriedades: é um metal de cor avermelhada, bom condutor de eletricidade e calor, resistente a corrosão, dúctil e maleável (pode atingir mais de 90% de deformação a frio, sem recozimento intermediário). É utilizado para transmissão de energia elétrica (fios, chaves, conexões) e

energia térmica (trocadores de calor). Quando são necessárias propriedades mecânicas mais elevadas, usam-se ligas de cobre.

Propriedades do Cobre

Densidade 8,96g/mm³

Ponto de fusão 1 083ºC

Resistência à tração 200....360N/mm²

Alongamento 50....35% Coeficiente de dilatação térmica

16,5x10-6 cm/ºC (20ºC)

Liga de cobre-zinco (latões) São ligas de cobre e zinco onde o teor de zinco varia de 5 a 50%, podendo ainda conter outros elementos de liga como o chumbo, estanho e alumínio em pequenos teores. Exemplos de liga cobre-zinco: Cu Zn30 F43 Cu Zn20 Al F35 Cu Zn39 Sn F35


125

Liga cobre-estanho (bronzes) Os bronzes são ligas de cobre com estanho (2 a 16%). À medida que cresce o teor de estanho, aumenta a resistência mecânica e diminui a ductibilidade. As propriedades mecânicas podem ser melhoradas com a adição de até 0,4% de fósforo que atuará desoxidante, dando origem ao chamado bronze ferroso. O chumbo é adicionado para melhorar as propriedades de antifricção, a usinabilidade e a estanqueidade (de peças fundidas); o zinco é adicionado para

atuar como desoxidante (nas peças fundidas) e melhorar a resistência mecânica. Exemplos de liga cobre-estanho: Cu Sn8 F53 Cu Sn6 Zn F70 Liga cobre-níquel e liga cobre níquel-zinco (alpacas) As alpacas contém de 45 a 70% de cobre, 10 a 30% de níquel e o restante de zinco. São utilizadas para confecção de peças decorativas, talheres e utensílios semelhantes, molas de contato de equipamentos elétricos e telefônicos, arames de resistores elétricos, válvulas hidráulicas. Exemplo de alpaca: Cu Ni25 Sn5 Zn2 Pb2 Liga cobre-alumínio São utilizadas para confecção de cestos de decapagem, sapatas de laminador, engrenagens internas, bombas resistentes a álcalis, assentos de válvulas, hastes, hélices navais, mancais, buchas.


126

Propriedades mecânicas

Liga Limite de resistência à tração Kgf/mm²

Alongamento %

Dureza Brinell

Uso

Cu – ETP* 22 - 45 48 - 6 45 - 105

Cabos condutores de eletricidade, motores, geradores, transformadores, bobinas.

(latões) CuZn30

33 - 85 62 - 3 65 - 160

Tubos de trocadores de calor para água não poluída, cápsulas e roscas de lâmpadas, cartuchos, instrumentos musicais, carcaças de extintores de incêndio, componentes estampados e conformados, tais como: rebites, pinos e parafusos.

CuZnPb2 27 - 40 45 - 12 55 - 105

(Boa usinabilidade e condutibilidade elétrica). Parafusos, componentes rosqueados de dispositivos elétricos, conectores fêmea-macho para computadores.

(bronzes) CuSn6

37 - 100 60 - 2 80 - 225

(Possui pequeno teor de fósforo 0,02 – 0,40%). Tubo de condução de águas ácidas de mineração, componente para a indústria química, têxtil e de papel, engrenagens, componentes de bombas, molas condutoras de eletricidade, eletrodos de soldagem.

CuSnPb10 18 28 69

Mancais para altas velocidades e grandes pressões, mancais para laminadores.

* Cu – ETP = cobre eletrolítico tenaz


127

Chumbo É um metal com aspecto exterior característico, pois apresenta uma cor cinza azulada. Sua superfície de ruptura (recente) é de uma cor branca prateada muito brilhante. É fácil de conhecê-lo pelo peso: é um material muito denso e macio. O chumbo é muito dúctil, fácil de dobrar, laminar, martelar (a frio). Os tubos são curvados com o auxílio de uma mola, ou enchendo-os de areia fina e seca, ou com ajuda de um aparelho de curvar.

Liga-se com dificuldades a outros metais, exceto com o estanho, com o qual se produz a solda de estanho. É bem resistente a corrosão, pois, quando exposto ao ar, recobre-se de uma camada protetora de óxido. Precaução Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no organismo e provocar uma intoxicação; por isso é indispensável lavar bem as mãos após o trabalho. Aplicação É utilizado no revestimento de cabos elétricos subterrâneos e no revestimento de recipientes para ácidos usados na indústria química.

Propriedades do chumbo

Densidade 11,3 Kg/dm³

Ponto de fusão 327ºC

Resistência à tração 15 - 20 N/mm²

Alongamento 50 - 30%

Designação do chumbo

Denominação Norma Impureza

Chumbo fino Pb 99,99 0,01%

Chumbo siderúrgico Pb 99,9 0,1%


128

Chumbo refundido Pb 98,5 1,5%

O chumbo fino aplica-se em placas de acumuladores, cristais óticos e proteção contra raios x. Zinco (Zn) É um metal branco azulado. Sua superfície de ruptura é formada de cristais que se distinguem facilmente. Entre os metais, é o que tem maior coeficiente de dilatação térmica (0,000029/ºC). Exposto à umidade do ar, combina-se com o bióxido de carbono (CO2), formando uma capa cinzenta de carbonato de zinco (Zn+CO2) que protege o metal. É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo, portanto, impossível conservar ácidos em recipientes de zinco. As propriedades do zinco podem ser sensivelmente melhoradas por adição de outros metais. Com liga de alumínio se torna mais resistente, com liga de cobre, mais duro. O magnésio compensa as impurezas existentes e igualmente o torno mais duro. Também o bismuto, o chumbo e o tálio melhoram consideravelmente as propriedades do zinco para sua usinagem.

Propriedades do zinco




Alongamento 1%

Designação do zinco

Denominação Norma Impureza

Zinco fino Zn 99,95 0,005%


129

Zinco siderúrgico Zn 99,5 0,5%

Zinco fundido G-Zn Al6 Cu 1%

Aplicação Peças de aço, que estejam sujeitas à oxidação do tempo, devem receber uma zincagem (banho de zinco) para sua proteção. As ligas de zinco, também chamadas de zamac, são muito utilizadas para obter peças complicadas através de fundição por injeção. Esse processo facilita a fabricação em série e aumenta a precisão das peças. Essas ligas são usadas na confecção de maçanetas, componentes de relógios, botões de controle, brinquedos (particularmente em miniaturas), componentes de máquinas de escrever, de calcular e de eletrodomésticos.

Nome comercial Norma

Zamac 2 Zn Al4 Cu3

Zamac 3 Zn Al

Zamac 5 Zn Al4 Cu

Zamac 610 Zn Al6 Cu

Estanho (Sn) É um metal branco azulado e macio que se funde facilmente e é resistente a corrosão. Dobrando-se uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metal estivesse trincado. Esse ruído é produzido e conseqüência do deslizamento dos cristais, que atritam entre si (grito do estanho). Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quando exposto às intempéries.

Propriedades do estanho


130


Temperatura de liquefação 232ºC


Ductibilidade 40%

Em temperaturas inferiores a –15ºC, o estanho se decompõe formando um pó de cor cinzenta.

O estanho puro não é empregado em construções de peças devido a sua pequena resistência a tração. Graças a sua grande ductibilidade podem-se laminar folhas muito delgadas, de até 0,008mm de espessura. O estanho é muito fluido no estado fundido e adere muito bem ao aço. Liga-se perfeitamente com outros metais, tais como: cobre, chumbo e antimônio. A solda de estanho é possível sobre latão, aço e aço fundido.

Símbolo Aplicação

Sn 99,9 Para revestir aço usado para embalar alimentos (folha de flandres)

L – Sn50 Pb Sb Solda para indústria elétrica (temperatura de fusão 183ºC - 215ºC)

L – Sn60 Pb Ag Solda para indústria eletrônica (temperatura de fusão 178ºC - 180ºC)

Metais leves Alumínio puro A figura abaixo mostra o processo de obtenção do alumínio por meio da energia elétrica. A matéria prima é o minério bauxita, que é submetido a diversos processos para secagem, separação das impurezas e transformação em óxido de alumínio puro.


131

Obtenção do alumínio O óxido de alumínio é transformado em alumínio puro por eletrólise (decomposição por corrente elétrica em alumínio oxigênio). Pode ser transformado em produtos fundidos ou laminados.


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Propriedades É um metal muito macio e muito dúctil. Pode ser identificado pela sua cor branca prateada. É bom condutor de calor e de corrente elétrica. Tem uma grande resistência a corrosão e liga-se muito bem a outros metais. Em contato com o ar se recobre de uma camada muito delgada de óxido que protege o metal (Al+O2 = Al2O3).

Por causa de sua capacidade de alongamento é fácil de dobrar, trefilar e repuxar. Pode ser usinado com grandes velocidades de corte e grandes ângulos de saídas na ferramenta (γ).

Propriedades do alumínio puro




Ductibilidade 20 - 35%

Velocidade de corte do alumínio em m/min

Ferramenta/ operação

Aço rápido γ = 35º a 40º

Metal duro γ = 30º a 35º

Tornear Furar fresar

120 – 180 50 – 200

200 – 380

250 – 700 90 – 300 Até 1.200


133

Aplicações do alumínio puro (em função da pureza)

Denominação Designação Impurezas em %

Formas Emprego

Alumínio puro 99,8

Al 99,8 0,2 Produtos químicos

para altas exigências

Alumínio puro 99,5

Al 99,5 0,5

Eletrotécnica, produtos químicos, construções navais.

Alumínio puro 99

Al 99 1

Usos gerais, exceto peças sujeitas á ação de agentes químicos, por exemplo: baterias

de cozinha. Alumínio extra-puro 99,99

Al 99,99 0,01

Em semiprodutos como: chapas,

tiras, tubos, perfis, peças prensadas, arames e barras.

Uso químico, joalheria.

Ligas de alumínio Quando o alumínio é ligado a outros metais obtêm-se ligas de alta resistência e dureza, enquanto que sua maleabilidade e condutibilidade elétrica diminuem.


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As ligas de alumínio com cobre, zinco, magnésio e silício podem ser submetidas a um tratamento especial de têmpera. Esse processo aumenta a dureza e mais ainda a resistência à tração (duas vezes). As ligas podem ser classificadas em: - Ligas de laminação - Ligas de fundição

Ligas de alumínio de laminação São transformadas por laminação, trefilação e trabalhos com prensa em chapas, tiras, barras, tubos e perfis. Ligas de alumínio fundido São fundidas em areia, coquilha e sob pressão. As peças moldadas sob pressão são obtidas injetando-se o metal líquido a alta pressão em moldes de aço. Esse processo é aplicado para peças de alta precisão e boa resistência a tração.

Ligas de alumínio – Norma DIN 1725

Ligas laminadas Composição Usos

AlCuMg ± 4% Cu 0,2 – 0,8% Mg

Peças leves para alto esforço mecânico

AlMgSi 0,6 – 1,6% Mg 0,6 – 1,6% Si

Presta-se para soldar e polir e possui alta resistência a corrosão

Mg Cu Si Mn Zn Alumínio

Ligas de alumínio

Ligas de laminação

Chapas, barras, barras maciças, tubos, arames, tiras, perfilados,

peças prensadas peças forjadas

Ligas de fundição

Fundição em areia Fundição em

coquilha Fundição sob

pressão


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Ligas fundidas Composição Usos

G-AlSi10Mg 9 – 11% Mg 0,2 – 0,4% Mg

Usada em carcaças e engrenagens. Possui alta resistência a tração (220 N/mm²) e é soldável

G-AlMg10 9 – 11% Mg Para peças da indústria química e aeronáutica

Oxidação anódica Permite melhorar a resistência a corrosão de certas ligas de alumínio. Na oxidação anódica, as peças de alumínio recebem, depois de sua elaboração, uma camada protetora de óxido reforçado por oxidação elétrica. Essa camada é muito dura e resiste muito bem a intempéries. As chapas das ligas Al Cu Mg são recobertas por uma fina camada de alumínio puro ou por uma liga isenta de cobre, por laminação a quente, para que não escureça. Ligas de magnésio O magnésio é um metal leve (ρ = 1,74Kg/dm³). O magnésio puro não pode ser empregado como material para construção, somente suas ligas encontram aplicações industriais. As ligas são obtidas com resistência satisfatória com adições de alumínio, zinco e silício. Podem ser soldados e se fundem facilmente. Para melhorar a resistência a corrosão, as peças de ligas recebem um tratamento depois de usinadas: um banho de ácido nítrico e dicromato de álcalis, que forma em sua superfície uma capa amarelada.

Ligas de magnésio

Liga Composição

G – Mg Al 9 Zn1 8,3 a 10% Al

0,3 a 1,0% Zn 0,15 a 0,3% Mn

Propriedades Densidade 1,8 Kg/dm³


136

Resistência à tração 24 a 28 Kp/mm² Alongamento 10 a 6%

Aplicações As ligas de magnésio são utilizadas na confecção de carcaça de motores e mecanismos portáteis que devem ser leves, tais como, serras e roçadeiras portáteis. Precauções Os cavacos finos que são produzidos durante a usinagem podem inflamar-se e provocar incêndio. Para esfriar os cavacos de magnésio usa-se areia, cavacos de ferro-fundido, jamais água.


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Questionário 1 – Como é feita a designação dos metais não-ferrosos puros? 2 – Comente a obtenção dos metais não-ferrosos.

3 – Como é feita a designação das ligas não-ferrosas? 4 – Quais as propriedades mais importantes do cobre, do chumbo, do zinco e do estanho? 5 – Quais as aplicações do Al, mg, Zn, Cu e Pb? 6 – Ordene os metais abaixo em função de sua resistência a tração: Zn, Cu, Al e Pb. 7 – Quais as propriedades e aplicações do latão? 8 – O que significa a seguinte designação do alumínio: Al 99,5? 9 – Quais as propriedades e aplicações do alumínio? 10 – Quais as propriedades e aplicações das ligas de magnésio?


138

Sinterização Metalurgia do pó ou sinterização A metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em transformar pó de metais, óxidos metálicos, carbonetos ou mesmo substâncias não metálicas em peças com resistência adequada à finalidade a que se destinam sem recorrer à fusão, empregando-se pressão e calor.

Processo de sinterização


139

Fabricação dos pós Para obter pós metálicos existem vários processos. O mais comum consiste em se injetar ar comprimido ou água sobre o metal líquido.

Obtenção de pós metálicos por meio de pulverização

Esse pó passa por um tratamento de secagem e um recozimento para desoxidação. De acordo com as propriedades exigidas na peça, são misturados vários tipos de pós com a adição de lubrificantes para facilitar a compactação. Compactação É uma operação básica do processo de sinterização. O pó é colocado em matrizes que estão montadas em prensas de compressão, onde é comprimido a pressões determinadas em função de sua composição e das características finais que se desejam nas peças sinterizadas.

Operação de compactação


140

As pressões de compactação exigidas na metalurgia do pó variam em função dos materiais, das características finais desejadas das peças sinterizadas e da quantidade e qualidade do lubrificante adicionado à mistura para facilitar a compactação. Peças que devem ter alta densidade, elevada dureza e resistência à tração são compactadas a quente, é o caso por exemplo do metal duro.

Materiais Pressão KN/cm³

Peças de latão 4 a 7 Buchas autolubrificantes

2 a 3

Escovas coletoras Cu – grafite

3,5 a 4,5

Metal duro 1 a 5 Peças de aço Baixa densidade Média densidade Alta densidade

3 a 5 5 a 6

6 a 10 Sinterização Consiste no aquecimento das peças comprimidas a temperaturas específicas. A temperatura de sinterização de pós de uma só substância é de 60 a 80% da sua temperatura de fusão, e em caso de pós de várias substâncias essa temperatura é ligeiramente superior à temperatura de fusão da substância de menor ponto de fusão. A temperatura de sinterização de alguns materiais está indicada na tabela.

Materiais ºC

Bronze fosforoso 600 a 800 Ferro e aço 1.000 a 1.300 Metal duro 1.400 a 1.600

A sinterização é feita em forno com gás protetor ou a vácuo para evitar a oxidação. O tempo é de 30 a 150 minutos. Em peças em que se deseja uma alta densidade e melhores propriedades de resistência, volta-se a prensar e a sinterizar (duplo prensado e sinterizado). Princípio da sinterização As partículas só têm contato em poucos pontos; por isso, o efeito da coesão é muito baixo. Através de uma alta pressão (40-80kN/cm²) a seção de contato aumenta, ou seja, a força de coesão também aumenta.


141

Durante o aquecimento ocorre um fluxo plástico (temperatura próxima à fase líquida). Nos contornos dos grãos os átomos são deslocados e formam novos grãos. Os novos grãos diminuem os poros e formam uma nova estrutura com grande densidade.

Efeitos da sinterização – esferas de cobre

a 1020ºC (ampliação 300x) Calibragem Após a sinterização, prensam-se as peças em uma ferramenta (matriz) para melhorar a precisão dimensional e qualidade superficial. Acabamento final As peças sinterizadas podem sofrer operações de usinagem, tratamentos térmicos e tratamentos superficiais. - Tratamentos térmicos Para melhorar a resistência a tração e a dureza de aços sinterizados pode-se recorrer a tratamentos térmicos como a têmpera, cementação ou carbonitretação. - Tratamentos superficiais Para melhorar a resistência ao desgaste e a corrosão empregam-se tratamentos superficiais como a oxidação (tratamento com vapor de água), cromeação, fosfatação, etc. Normalização A normalização dos materiais sinterizados é feita em função da porosidade.


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Designação

Classe

de

material

Volume de

material

%

Porosidade

% Aplicação

AF < 73 > 27 Filtros

A 75 25 Mancais

B 80 20 Mancais Peças de perfis

C 85 15 Peças de perfis

D 90 10 Peças de perfis

Numeração Material

00 Ferro sinterizado

10 Aço sinterizado

20 Aço em cobre

30 Aço/Cu/Ni

50 Cu Sn

54 Cu Ni Zn

Exemplos:

Sint AF 50 Sint D 10 Bronze Aço sinterizado

Porosidade 27% Porosidade 10% Volume de material 73% Volume de material 90%

Para filtros Para peças de perfis


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Aplicações de materiais sinterizados Filtros Materiais sinterizados com grande volume de poros como, por exemplo, aço cromo–níquel (Sint A41) ou bronze sinterizado (Sint A50), são utilizados para filtros de gases líquidos. Buchas Buchas de bronze sinterizadas podem absorver até 30% de seu próprio volume

de óleo que ao ser aquecido sai dos poros lubrificando as superfícies de contato. Buchas sinterizadas de bronze com grafite ou bissulfeto de molibdênio não necessitam de lubrificante líquido. Com o deslizamento sobre pressão, forma-se na superfície de contato uma película com baixo coeficiente de atrito que tem a função do lubrificante líquido.

Escovas coletoras O emprego de sinterizados de grafite com cobre na fabricação de escovas coletoras oferece vantagens sobre o grafite já que possui maior condutividade elétrica.

Escovas coletoras

Peças de precisão

Peças sinterizadas

Os materiais sinterizados podem, ainda, serem

utilizados na confecção de engrenagens e peças de formas complexas de automóveis e

eletrodomésticos


144

Ferramentas de metal duro Ferramentas de corte, matrizes para compactação e componentes de instrumentos de precisão podem ser fabricados de metal duro. O metal duro é composto de carbonetos de tungstênio, de titânio e de tântalo, mais cobalto; que atua como elemento de liga. Esses elementos são submetidos a altas temperaturas e pressão no processo de sinterização.

A ferramenta sinterizada de metal duro possui excelente rendimento na usinagem a alta velocidade de corte, mantém o corte a elevadas temperaturas e tem maior vida útil que as ferramentas de aços rápidos.

Durezas dos materiais para ferramentas

Ferramentas cerâmicas Os materiais cerâmicos, tais como, Al2O3, SiO2, unidos com metais como Co, Cr, Fe são sinterizados para produzir ferramentas de corte (ferramentas cerâmicas). Materiais cerâmicos e metálicos não podem ser ligados, só sinterizados, chamam-se também cermets, ou seja, cerâmica + metais. Depois de sinterizadas, as pastilhas de corte têm as propriedades dos materiais brutos tais como: a dureza de Al2O3 e a resistência à tração do Cr. Os pós dos metais servem como aglutinantes. Exemplo: Co. A velocidade de corte desse material é mais elevada do que as indicadas para o metal duro. As pastilhas são de baixo custo e não são retificadas após uso.


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Questionário

1- Descreva as etapas fundamentais do processo de sinterização.

2- Quais os materiais que podem ser aplicados na sinterização?

3- Que vantagens oferecem o processo de compactação a quente?

4- Descreva o princípio da sinterização.

5- Dê alguns exemplos de aplicação de peças sinterizadas.

6- Explique as seguintes normas de peças sinterizadas:

Sint – A20 Sint – C50 Sint – B54


146

Materiais plásticos Definições básicas Elasticidade Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se e, quando é cessada a carga ou força que sobre ela atua, deve voltar a sua forma ou posição original.

Plasticidade Quando submetida a uma carga ou força, uma peça deforma-se permanente e definitivamente, não ocorrendo o fenômeno do retorno como na elasticidade. Isso ocorre quando essa força aplicada é superior ao limite elástico o material. Combinação química orgânica È uma combinação entre carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos, os quais também existem nos organismos vivos. Monômero È a menor unidade molecular do plástico, constitui sua partícula elementar. Polímero É a combinação de monômeros por um processo chamado polimerização, formando uma cadeia. Molécula È a combinação química de dois ou mais átomos. Pode ser separada (decomposta) em átomos através de processos químicos. Macromoléculas Consistem em milhares de moléculas formando grandes fios (macro = grande). O que são plásticos? Plásticos são materiais orgânicos, obtidos através do craqueamento do petróleo, da hulha e do gás natural liquefeito, ao contrário de materiais naturais, como madeira e metal.


147

Plásticos e suas matérias-primas

Materiais plásticos são tipos de um vasto grupo de materiais, construídos basicamente, ou em sua maior parte, da combinação entre o carbono e hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e outros compostos orgânicos e inorgânicos de origem direta ou indireta do petróleo. Os plásticos apresentam-se no estado sólido e líquido pastoso, quando são aplicados sobre eles temperatura e pressão. A matéria-prima utilizada para a fabricação dos plásticos pode ser largamente combinada, resultando novos polímeros que terão propriedades individuais. Alguns plásticos são semelhantes à borracha, enquanto que algumas borrachas, tratadas quimicamente, são consideradas plásticas. Outros plásticos são obtidos a partir de substâncias naturais, como é o caso da celulose e da caseína (proteína extraída do leite). Os materiais plásticos não são materiais vulgares, mas, sim materiais nobres, capazes de substituir muitos outros materiais. O amplo uso dos plásticos, na era moderna, pode ser atribuído, em grande parte, às combinações de propriedades e vantagens somente oferecidas por essa classe de substâncias. O plástico se transforma em qualquer tipo de produto, por ser moldável, versátil, leve, e barato quando comparado à madeira, ao alumínio, ao cobre e ao aço. Ele pode transformar-se em todo tipo de produto, assumindo as mais diversas formas, desde os mais comuns do dia-a-dia aos projetos mais sofisticados, como os plásticos resistentes à temperatura e altamente impermeáveis à corrosão (termofixos em geral), criados para resistir à temperatura das naves espaciais. Os plásticos podem ser transformados em fios, moldados ou laminados, usinados, flexíveis ou rígidos, transparentes ou opacos, incolores ou pigmentados (coloridos), pintados ou metalizados.


148

Demanda no mercado A partir da Segunda Guerra Mundial (1939), aumentou a demanda de plásticos de todos os tipos. Além dos vários tipos de plásticos já existentes, plásticos completamente novos foram introduzidos no mercado. Os anos de guerra tiveram enorme influência no crescimento rápido das indústrias de plásticos já estabelecidas e deram impulso a muitas outras indústrias. O consumo de plástico no Brasil triplicou no período de 1964/70,

passando de 84 mil para 252 mil toneladas, chegando a 865 mil toneladas em 1975. A produção mundial tem duplicado a cada cinco anos, sendo que três categorias representam cerca de 60% do consumo total: o cloreto de polivinila (PVC), o polietileno (em alta ou baixa densidade) e o poliestireno. O poliestireno e o PVC têm uso no mercado de embalagens (sacos plásticos, tampas, garrafas), no capeamento de fios e cabos, nos revestimentos de canais de irrigação, etc. O PVC e o poliestireno estenderam seu uso ao mercado de móveis (capas, forros, acolchoamentos, cadeiras pré-moldadas) e só o poliestireno, ao mercado de eletrodomésticos. As fibras sintéticas, plásticos especiais, têm seu consumo voltado para a fabricação de peças de vestuário (tergal, nycron, dracon, orlon), usos domésticos (tapetes) a industriais (cordas e cordonéis para pneus). Também chamadas de elastômeros, as borrachas sintéticas atendem a 70% das necessidades mundiais, no Brasil, sua utilização chega a ser de 80% do total de borracha consumida. Isso por apresentar vantagens sobre a natural, como maior resistência à abrasão e ao calor, mais uniformidade no processamento, fluidez na moldagem e diversidade de tipos. O negro de fumo, por exemplo, é insubstituível na fabricação de certos tipos de borrachas, plásticos e tintas, sendo 90% de sua produção mundial aplicada à indústria de borracha, no setor de pneumáticos. Propriedades comuns de todos os plásticos Todos os plásticos consistem em macromoléculas que possuem como principal elemento químico o carbono (C); por isso, chamam-se também combinações orgânicas. De um modo geral os plásticos apresentam as seguintes vantagens:

• Pouco peso (ρ = 0,9 – 2,2g/cm3); • Alta resistência à corrosão;


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• Baixo coeficiente de atrito; • Baixa condutividade térmica e elétrica;

• Boa aparência

• Facilidade de trabalho;

• Boa resistência aos álcalis, às soluções salinas e ácidas.

Entre as desvantagens podemos enumerar:

• Baixa resistência ao calor; • Baixa resistência mecânica (σ = 15 – 100N/mm2);

• Pouca estabilidade dimensional – deformam-se facilmente com qualquer

variação de temperatura;

• Alto coeficiente de dilatação (15 vezes maior que o do aço C);

• Não resistem aos ácidos concentrados, aos solventes orgânicos e aos hidrocarbonetos.

A obtenção dos plásticos Os produtos básicos dos materiais plásticos são as resinas sintéticas, obtidas através de reações químicas. Polimerização São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais (monômeros) quimicamente não saturadas, que se unem (por rompimento das duas ligações) em longas cadeias, formando macromoléculas (polímeros).

Polimerização


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Essas reações não alteram a composição química molecular, portanto são reversíveis. Policondensação São reações químicas que ocorrem entre moléculas iguais ou diferentes (contendo grupos funcionais característicos) que, ao reagirem entre si, originam moléculas mais complexas, com eliminação de água, álcool ou outro composto simples. Essas reações alteram a composição química molecular, portanto, são

irreversíveis.

Reação de policondensação (elimina água)

Poliadição È uma reação que ocorre entre moléculas de iguais ou diferentes características funcionais, sem eliminação de nenhum outro elemento.

Poliadição

Um átomo da primeira molécula une-se à segunda molécula.


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Classificação dos plásticos

Termoplásticos São resinas que amolecem com o calor (superior a 80ºC) e endurecem com o frio. As macromoléculas formam fios (linhas) e são ligadas somente pelas forças de coesão e adesão, chamadas de forças de Van Der Waals não existindo, portanto, na polimerização uma reação química. Durante o aquecimento essas forças diminuem e as macromoléculas tornam-se móveis. O plástico então amolece e pode ser transformado várias vezes. Os termoplásticos também podem ser soldados.

Estruturas dos termoplásticos

Duroplásticos (termofixos) São resinas obtidas por policondensação ou poliadição e, portanto é uma reação irreversível. As macromoléculas são ligadas quimicamente, através de cadeias laterais formando assim uma estrutura tridimensional difícil de romper. Os duroplásticos não são transformáveis após a primeira formação. Também não podem ser soldados.

Estrutura dos duroplásticos


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O material bruto pode ter a forma líquida ou sólida e é moldado por meio de pressão e calor que são necessários para ocorrer a reação de policondensação ou poliadição. Essas resinas, usualmente, são misturadas com farinha de soja, serragem ou pó de rocha, por motivos econômicos, e com fibras, tecidos, papel e celulose para melhorar as características mecânicas. As resinas termofixas mais usadas são:

• Fenólica • Uréica • Melamínica • Epóxi • Poliéster

Elásticos São plásticos cujas macromoléculas possuem poucas pontes de redes.

Estrutura de elásticos

O elemento de formação das pontes é o enxofre, que também é responsável pelo fenômeno da recuperação elástica do material (vulcanização). Estão neste grupo a borracha natural, a borracha sintética e a borracha de silicone. Silicone Os silicones diferenciam-se dos demais plásticos em razão da matéria-prima de que são constituídos. Enquanto todos os outros plásticos são constituídos de cadeia de átomos de carbono, os silicones são constituídos de cadeias de átomos de silício. Os silicones são menos ativos quimicamente do que os compostos de carbono e são mais resistentes ao calor. São usados como a borracha, vernizes, graxas e óleos que devem resistir a alta temperatura. São encontrados em produtos tais como ceras para polimento, tintas, cosméticos, agentes antiespuma e fluídos dielétricos.


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Propriedades e aplicações dos termoplásticos mais comuns

Símbolo DIN

Propriedades Aplicações

Cloreto de polivinila – Nomes comerciais: Troriplas, Vestolit, Hostalit, Geom PVC rígido

Boa resistência, tenacidade e dureza, dielétrico.

Tubos, placas, juntas, discos.

PVC flexível

Muito elástico não é indicado para embalagens de produtos alimentícios.

Mangueiras, frisos, guarnições, revestimento de fios e cabos elétricos, botas e solas de sapatos.

Polietileno – Nomes comerciais: Hostalen, Vestolen, Polietileno-U, Carbide PE

HD (alta

densidade)

Elevada rigidez Boa dureza superficial Dielétrico Resistente à ebulição

Garrafas, recipientes, vasilhas para uso doméstico, revestimento de fios, conduítes, brinquedos.

PE LD (baixa

densidade)

Alta flexibilidade Boa resistência Baixa dureza superficial.

Frascos flexíveis, saquinhos, embalagens, flores artificiais.

Polipropileno – Nomes comerciais: Hostalen, Vestolen P.

PP

Elevada estabilidade de forma ao calor Resistente a choques Boa dureza superficial Esterilizável a 120ºC Quebradiço a 0ºC.

Peças de automóveis Vasilhas Capacetes Brinquedos.

Poliestireno – Nomes comerciais: Polystirol, Vestyron

PS Grande rigidez Exatidão de medidas Resistente a choques.

Peças para eletricidade e telecomunicações Brinquedos, pratos, xícaras, garrafas, caixas para telefone, rádio e tv.

Policarbonato – Nomes comerciais: Makrolon, Lexan

PC

Transparente como vidro Alta resistência Estabilidade dimensional até 140ºC Antitóxico Inalterável ao tempo.

Peças para computadores, interruptores automáticos, fotografias: filmes, câmaras, carretéis; copos para filtros, semáforos, faroletes traseiros para carros, capacetes, jarras para água, mamadeiras.

Poliamida – Nomes comerciais: Ultramid, Durethan, Nylon.

PA

Grande capacidade para suportar cargas dinâmicas – dureza e rigidez elevada - resistência a choques – amortecedor de choques, ruídos e vibrações – resistente à abrasão e ao desgaste – boas propriedades de deslizamento.

Carcaças para aparelhos elétricos, engrenagens, buchas, pás para ventiladores, rotores de bombas – parafusos e porcas – revestimento de cabos e fios, cordas, embalagens para produtos alimentícios.

Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno – Nomes comerciais: Novodur, Lustran, Vestodur


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ABS

Duro resistente a choques Amortece vibrações acústicas Antitóxico Permite a produção de produtos repuxados a frio a partir de chapas

Utensílios domésticos: batedeiras, geladeiras; indústria automobilística, grades, indústria radiofônica e fotográfica: caixas para rádio e TV, filmes; caixas e teclados para máquina de escrever e de calcular, brinquedos.

Características físicas e de transformação dos termoplásticos mais comuns

Nome Abreviatura Densidade g/cm³

Resistência a tração N/m²

Temperatura de

transformação ºC

Contração de

moldagem %

Temperatura máxima no serviço ºC

Cloreto de polivinila

rígido PVC 1,45 30 - 50 175 – 200 0,1 – 0,2 65

Cloreto de polivinila flexível

PVC 1,20 10 - 14 175 – 200 0,2 – 2,0 65

Polietileno alta

densidade PE HD 0,96 25 185 – 220 2,0 – 4,0 120

Polietileno baixa

densidade PE LD 0,92 10 150 – 175 1,5 – 3,0 90

Polipro-pileno PP 0,91 30 - 40 200 – 220 1,5 – 3,0 140

Poliestireno PS 1,05 50 - 75 180 – 210 0,4 – 0,6 80

Policarbo-nato PC 1,20 65 240 – 290 0,4 – 0,8 140

Poliamida (nylon) PA 1,15 60 - 80 180 – 290 1,0 – 2,5 100

Acrilonitrilo Butadieno Estireno

ABS 1,05 180 – 250 0,3 – 0,8 90

Comportamento químico de alguns termoplásticos em contato com agentes agressivos

PVL PE PP PS PC PA ABS concentrado

ácidos fraco

E E I

E E

I

E I

I

E concentrado

álcalis E E

I

E I

I

E


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fraco E E E Álcoois E E C E E E Óleos minerais graxas

E C C E E E E

Benzina E I I I E E E Ésteres I C C I E I Éter I C C I I E I Cetona I C C I I I I Hidrocarbonetos clorados

I I I I I E I

Benzol I I I I I E Carburante I I I I E E = Estável I = Instável C = Condicionamento estável

Propriedades e aplicações dos termofixos mais comuns

Nome comercial

Propriedades Aplicações

Resina fenólica fenol formaldeído (PF) Baquelita Reriform Eshalit Trolitan

Isolante elétrico Resistência à pressão de 12 a 15 Kg/mm² Resistência à tração de 2,5 Kg/mm²

Plugs, tomadas elétricas, rádios, TV, caixas para motores pequenos, aspiradores, baterias.

Pertinax Repelit Trolitax

Impregnada em papel São resistentes à umidade e se incham muito pouco quando em contato com graxa ou óleo

Corpos para bobinas, pranchas e peças de isolamento elétrico, tabuleiro de instrumentos.

Ferroell Lenax Durcoton Novatext Resitex Celeron

Impregnada em tecido São bastante resistentes à flexão e tem boa tenacidade

Engrenagens, buchas, aletas de máquinas pneumáticas, martelos.

Resina uréica – Uréia formaldeído (UF)

Beetle Plaskon Baquelite

É inodora e transparente. Permitindo colorir-se com cores claras, como o branco, etc.

Aparelhos elétricos, peças para lâmpadas, coberturas, cola, pranchas isolantes contra o calor e o ruído.

Resina melamínica – Melamina formaldeído (MF) Melmac Características semelhantes à As mesmas da resina uréica


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Melurac resina uréica – resiste bem à água, calor e ácidos orgânicos.

Resina epoxi (EP)

Araldite Epirole Epoxim Metallon

Existem variedades desta resina líquida e sólida, transparentes, incolores e pastosas. Os epóxis são inodoros e sódicos. No estado líquido são venenosos, os vapores irritam a pele, mas endurecidos tornam-se atóxicos. Resistem aos ácidos e lixívia.

Isolação em interruptores, condensadores, conectores e aparelhos elétricos em geral, adesivos para metais, verniz ao fogo. Misturada com quartzo, talco, grafite obtém-se resina para fabricação de moldes de fundição, etc.

Resina do poliéster – Poliéster insaturado (UP)

Thermaflow Mylar Kriston

É incolor e transparente, mas pode-se obter qualquer cor por meio de corantes. Endurece sob pressão

Peças de rádio e TV, vidraças de avião, carrocerias de carro.


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Características físicas e de transformação dos duroplásticos mais comuns

Nome Abreviatura Densidade g/cm³

Temperatura de transformação

ºC

Temperatura máxima no serviço

ºC Fenol – formaldeído (baquelita)

F.F 1,25 – 1,37 149 – 177 160

Uréia – formaldeído (uréia)

U.F 1,45 – 1,55 135 – 188 135

Melamina formaldeído (melamina)

M.F 1,40 – 1,55 135 – 188 100

Poliéster (com fibra de vidro)

- 1,6 – 2,1 120 – 180 120

Epóxi E.P 1,2 - 150

Propriedades e aplicações de elásticos mais comuns

Nome Propriedades Aplicações

Borracha natural

Proveniente da seiva da seringueira (látex), ela é aquecida com enxofre (vulcanização) para tornar-se mais consistente mantendo a elasticidade. Não resiste bem a muitos óleos e solventes.

Pneus Guarnições Mangueiras

Butadieno estireno (SBR)

Propriedades semelhantes da borracha natural. Facilidade de produção. Um pouco inferior à borracha natural em resistência à tração e resistência ao desgaste.

Comumente combinada com a borracha natural e usada nos mesmos produtos.

Polímeros de cloro-butadieno (cloropreno) (neopreno) Borracha de silicone

Alta resistência ao calor, luz, óleos e a produtos químicos. Boa resistência elétrica. Não é processado como a borracha natural. Suporta temperatura de trabalho até 150ºC.

Mangueiras e guarnições para óleo, particularmente para temperaturas altas. Pneus para serviço pesado. Mangueiras,


158

Permanece elástica até –70ºC. Alta resistência a óleos e produtos químicos. O vapor reaquecido destrói a borracha de silicone.

guarnições, isolantes para fios, etc., que devem resistir a temperaturas extremas.


159

Materiais obtidos quimicamente de produtos naturais Celulose sintética Fibra vulcanizada, celulóide, celona e celofane.

Fibra vulcanizada Massa específica 1,1 a 1,4Kg/dm3. De cor natural cinzenta, adquirindo comumente as cores marrons, roxas ou pretas. Emprego: guarnições, cabos para ferramentas, sapatas para freios. Celulóide Massa específica 1,38Kg/dm3 (inflamável) Emprego: placas de proteção, filmes, armação de óculos. Celona Massa específica 1,4Kg/dm3 (não facilmente inflamável mas pega fogo). É incolor e transparente, mas com o tempo fica amarelada. Emprego: pára-brisas, resinas, armação de óculos, capa intermediária para vidros de proteção. Celofane Papel transparente impermeável.


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Chifre sintético Massa especifica 1,3Kg/dm3. Esse material é fabricado de caseína (leite desnatado). Pode ser tingido em todas as cores, é insípido e inodoro. Quando se queima, cheira a leite queimado. É fácil de ser usinado e se deixa polir, a 70ºC é fácil de dobrar ou estampar. Emprego: substitui o chifre e o marfim na fabricação de reguetas, réguas de

cálculo, cabos para facas e pentes. É conhecido no mercado como Galalit, Berolit, Esbirith. Usinagem de plásticos Devido à baixa condutividade térmica dos plásticos, o calor gerado pelo atrito entre a ferramenta e a peça durante a usinagem não se dispersa, provocando, então, uma combustão nos duroplásticos. Já os termoplásticos amolecem e ficam pastosos, o que dificulta ao corte. Portanto, durante a usinagem é muito importante que se faça um bom resfriamento com ar comprimido. Os duroplásticos produzem cavacos curtos e quebradiços, já os termoplásticos produzem cavacos longos e contínuos. As ferramentas a serem utilizadas: - Metal duro – tipo K10 - Aço rápido Deve-se normalmente utilizar alta velocidade de corte e pouco avanço.


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Características das ferramentas para usinagem de plásticos

Material Ferramenta Processo Ângulo de folga (ααααº)

Ângulo de saída

(γγγγº)

Avanço mm/rot

Velocidade de corte m/min

Tornear 8 12 – 25 0,1 – 0,3 200 – 250

Furar 6 – 8 6 – 10 0,1 60 – 80

Serrar 10 – 15 3 manual 2500 - 3000

Duroplásticos com material de enchimento orgânico

MD

Fresar 10 –20 20 – 25 0,1 – 0,3 200 – 500

Tornear 5 – 8 0 – 12 0,1 – 0,3 Até 40 Furar 6 – 8 0 – 6 0,1 20 – 40 Serrar 10 –15 3 manual Até 1000

Duroplásticos com material de enchimento inorgânico

MD

Fresar - - - - Tornear 15 0 0,1 – 0,2 200 – 500 Furar 8 – 10 3 – 5 0,1 – 0,5 150 Serrar 30 – 40 0 – 8 0,1 – 0,5 3000

PVC Aço rápido

Fresar 25 – 30 0 – 25 0,3 Até 1000 Tornear 8 – 10 40 – 50 0,1 – 0,3 200 – 500 Furar 8 – 15 3 – 5 0,1 – 0,3 Até 100 Serrar 30 – 40 5 – 8 manual Até 2000

Poliamida (Nylon)

Aço rápido

Fresar 25 – 30 25 0,1 Até 1000 Tornear 5 – 10 0 – 5 0,2 – 0,4 500 – 600 Furar 3 – 8 3 – 5 0,1 – 0,4 20 – 50 Serrar 30 – 40 0 – 8 manual Até 2000

Acrílico Aço rápido

Fresar 25 - 30 0 - 25 0,2 – 0,5 Até 1000 Processos de transformação Injeção Na moldagem de materiais termoplásticos aquece-se o material até um estado de fluidez e, em seguida, por meio de pressão, é lhe dada a forma de um molde.


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Molde para plástico

Finalmente, esfria-se a peça antes de extraí-la do molde. Processo de moldagem por injeção Na moldagem por injeção, a máquina injetora é a alimentada com material granulado ou em pó. Se necessário deve ser pré-aquecido em um cilindro adequado, onde o material se plastifica o suficiente para que possa ser injetado sob pressão em um molde frio e fechado, desse molde pode-se extrair a peça moldada após o seu resfriamento.

Máquina de moldagem por injeção

Extrusão A extrusão é um processo extremamente versátil e entre os artigos fabricados por esse processo incluem-se tubos, mangueiras, filmes, folhas, chapas, cabos elétricos, etc.


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Extrusão de filmes Revestimento por extrusão


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A seqüência básica de processamento de um termoplástico em máquinas de extrusão é a que segue:

a) Fluidificação de matéria-prima, em geral em forma granular.

b) Vazão controlada do produto fluidificado através de uma matriz que o molda na forma desejada.

c) Solidificação do produto.

d) Enrolamento ou corte final.

As fases a e b são realizadas realmente na máquina de extrusão, enquanto que as fases c e d podem ser chamadas de acabamento e se realizam em equipamentos auxiliares. A máquina de extrusão em si é constituída de um parafuso de Arquimedes, que gira dentro de um cilindro aquecido, em relação ao qual mantém uma folga muito pequena. Termoformação Na termoformação, uma chapa de plásticos amolecida pelo calor recebe uma determinada forma, seja dentro de um molde, seja ao seu redor.


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A termoformação pode ser dividida em três tipos principais: Formação a vácuo Em sua formação mais simples, o método consiste em fixar a folha num quadro ligado à caixa de molde.

A chapa é aquecida até ficar com a consistência de borracha e, por meio de vácuo, é estirada por sobre o molde.

A pressão atmosférica, que existe acima da folha, força-a contra o molde enquanto é resfriada suficientemente para poder manter a sua forma definitiva.

Formação a vácuo (esquema)

Formação sob pressão ou por pressão É o mesmo caso anterior, com a diferença que se aplica à folha aquecida uma pressão positiva de maior ou menor intensidade.


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Sopro Aplicado na produção de garrafas. Introduz-se um tubo pré-formado em estado plástico na matriz e injeta-se ar (sopra-se). A figura a seguir mostra a seqüência de formação da peça.

Sopro (esquema)

Calandragem É o processo pelo qual se fabrica uma chapa contínua passando o material amolecido pelo calor entre dois ou mais cilindros. As calandras foram originalmente projetadas para o processamento de borracha, porém, atualmente são utilizadas também para a produção de lâmina dos termoplásticos, especialmente de PVC flexível e para a preparação de revestimento sobre papel, tecidos, etc.

Calandragem (esquema)


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Moldagem por compressão Usa-se principalmente na fabricação de produtos, basicamente de plásticos termofixos, embora possa ser também facilmente aplicada aos trabalhos com termoplásticos.

Moldagem por transferência É um processo em peças que possuem muitos detalhes. O processo consiste no carregamento de uma certa quantidade de pó de moldagem em uma câmara aquecida, fora do molde, onde atinge um estado suficientemente plástico que permite sua passagem (sob pressão) através de uma abertura adequada, para dentro de um molde, fechado desde o início.


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Questionário

1. Quais são as vantagens e as desvantagens apresentadas pelos plásticos em geral?

2. Quais são as diferenças fundamentais entre os termoplásticos e os duroplásticos?

3. Descreva as reações de polimerização, policondensação e poliadição.

4. Quais são as propriedades e aplicações do cloreto de polivinila (PVC), polietileno (PE), acrílico (PMMA) e poliestireno (PS)?

5. Quais são as propriedades da resina fenólica, fenol formaldeído (PF) e da resina epóxi (EP)?

6. Descreva os processos de termoformação dos materiais plásticos.


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Referências

1. SENAI.MG. Tecnologia e Ensaios de Materiais. Belo Horizonte, 1988.

Apostila.

2. SENAI.MG. Tecnologia dos Materiais. Belo Horizonte, 2000. Apostila.

Tecnologia dos materiais-Resistência

Engineering

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