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1AP - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA

CLASSIFICAÇÃO E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

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Conteúdo da Apresentação:

• Classificação dos materiais

• Estruturas cristalina dos metais • Propriedades físicas dos materiais • Obtenção do ferro gusa e do ferro fundido

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Classificação dos materiais

Um grego chamado Demócrito sugeriu que toda matéria é composta de pequenas partículas, que chamou de átomos.

Átomos… Moléculas… Materiais.

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Tabela periódica

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Classificação dos materiais

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

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Classificação dos materiais Os materiais são predominantemente sólidos

A organização dos grupos de moléculas estabelecem o seu comportamento na natureza:

Estado sólido: • Moléculas ou átomos agrupados que MANTÉM a FORMA após serem moldados.

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Classificação dos materiais Os materiais são homogêneos

Foto do tecido

• Variadas substâncias diferentes. • Mesmas propriedades em toda parte. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Classificação dos materiais

Materiais Não -Metálicos

Metálicos

Ferrosos

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Não Ferrosos

Sintéticos

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Naturais

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Materiais metálicos

• Formados por uma ou mais substâncias, onde predominam as metálicas • Predominantemente brilhantes e resistentes; • Têm alta densidade em relação aos demais (no mínimo, 2 kg / dm3); • Normalmente obtidos através de minérios; • Muito usados em construções mecânicas.

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Materiais não metálicos •

Naturais: madeira, couro, fibras, etc. Acrílico

•

Artificiais ou sintéticos: baquelite, celulóide, acrílico, etc.

- Materiais plásticos Baquelite

Celulóide: marfim artificial Prof. DORIVAL – jan /2015

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Materiais metálicos ferrosos METÁLICOS FERROSOS

AÇOS

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FERROS FUNDIDOS

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Materiais metálicos ferrosos

1.

Substância Predominante: FERRO - Fe

2.

Substância não predominante porém importante: CARBONO - C

3.

Usados desde a antiguidade

4.

De cores acinzentada até prateada

5.

Os mais usados na indústria mecânica

6.

Em sua maioria muito resistentes e fáceis de serem trabalhados.

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Materiais metálicos não ferrosos METÁLICOS NÃO FERROSOS

PESADOS

LEVES Limite: 5kg/dm3

Ex.: Chumbo, Cobre e Cromo Prof. DORIVAL – jan /2015

Ex.: Alumínio e Magnésio 13

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Materiais metálicos não ferrosos

São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. • Metais pesados: (ρ > 5kg/dm3) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc. • Metais leves: (ρ < 5kg/dm3) alumínio, magnésio, titânio, etc.

cobre

chumbo

utilizados em peças sujeitas a oxidação titânio

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alumínio

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Aços – Características Gerais

• Liga de Ferro (Fe) e Carbono (C), com o último tendo de 0 a 2,1% na composição, • Tem excelentes propriedades mecânicas: material tenaz, dúctil, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.

• De cor acinzentada até prateada • 80% dos materiais usados na indústria

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Ferros Fundidos – Características Gerais

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

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Classificação dos materiais MATERIAIS METÁLICOS

NÂO-METÁLICOS

FERROSOS

NÃO-FERROSOS

NATURAIS

SINTÉTICOS

Aço

Al - Alumínio

Madeira

Vidro

Ferro fundido

Cu - Cobre

Couro

Cerâmica

Zn - Zinco

Borracha

Plástico

Mn - Magnésio Pb - Chumbo Sn -Estranho Ti - Titânio

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Materiais de construção mecânica

Estrutura cristalina dos materiais

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Reticulados Cristalinos

• Cristal Metálico: átomos organizados num padrão tridimensional bem definido, que se repete no espaço, formando uma estrutura com uma geometria específica.

Tipos de reticulado de materiais ferrosos:

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CCC:

CFC:

Cúbico de corpo centrado

Cúbico de face centrada

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

Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

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

Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

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Hexagonal compacta

Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. A dimensão da rede varia de tipo para tipo.

Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

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Grão

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

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Formação do grão no resfriamento

• Algumas unidades de reticulado resfriam em pontos aleatórios do material. • A quantidade de reticulados agrupados vai crescendo, o que faz surgir o que será o grão, porém, ainda contornado por líquido. • Finalmente, a porção líquida se acaba, todos os átomos se aglomeram em grãos, determinando assim os contornos de grão.

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Materiais de construção mecânica

Propriedades dos Materiais

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Propriedades dos Materiais

Elasticidade

Fragilidade

Ductilidade

Tenacidade

Dureza

Resistência

Maleabilidade Prof. DORIVAL – jan /2015

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

Ex.: Molas e Borracha Prof. DORIVAL – jan /2015

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Propriedades dos Materiais Fragilidade

Ao sofrer um choque (impacto, aplicação de esforço de curto período e repentina), uma peça de material frágil tende a quebrar (romper-se). Logo, os materiais frágeis, tem baixa resistência aos choques.

Ex.: Vidros e Ferro Fundido Prof. DORIVAL – jan /2015

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Propriedades dos Materiais Ductilidade / Plasticidade

É o oposto da Fragilidade. Ao sofrerem impactos, peças de materiais dúcteis se deformam e não se rompem. Para qualquer força que sofra, essa peça não retorna ao seu estado original: fica deformada.

Ex.: Cobre e Massa de modelar Prof. DORIVAL – jan /2015

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Propriedades dos Materiais Tenacidade

É a propriedade mais apreciada em um M.C.M. Uma peça de material tenaz é aquela que ao sofrer grande esforço (impacto ou não), sofre pouca deformação elástica e não se rompe facilmente.

Ex.: Aços-liga e Aços de Chave Allen Prof. DORIVAL – jan /2015

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Propriedades dos Materiais Dureza

Pode ser chamada de resistência ao desgaste ou à penetração. Essa propriedade aparece naquelas peças que não podem ser desgastadas ou deformadas na sua superfície.

Ex.: Aços-Ferramenta Prof. DORIVAL – jan /2015

Plainar 31

Fresar

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Propriedades dos Materiais Resistência

É a oposição à mudança de forma. Um material pode se opor bem à tração (ser “puxado”) e mal ao cisalhamento (ser cortado).

Existem 6 tipos de resistência: Flexão, Cisalhamento, Torção, Tração, Flambagem e Compressão. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Propriedades dos Materiais

Resistência

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Propriedades dos Materiais Densidade

É a concentração de material em um determinado volume. Um litro de água pesa 1 kg, mas nem todo líquido tem 1kg / litro. O mesmo acontece com os materiais.

Unidades de medida: kg/dm3, g/dm3, kg/L Prof. DORIVAL – jan /2015

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

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Materiais de construção mecânica

Obtenção dos materiais ferrosos

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Complexo siderúrgico

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Obtenção dos materiais ferrosos

• Minério de Ferro: extraído do solo, é obtido em formato de óxidos de ferro ou carbonatos de ferro. • Acompanha quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo e manganês.

Minério

Designação

Fórmula

Porcentagem de Ferro (%)

Magnetita

Óxido Ferroso Férrico

Fe3O4

60 ~ 70

Hematita Roxa

Óxido de Ferro Anidro

Fe4O3

40 ~ 60

Hematita parda ou limonita

Óxido de Ferro Hidratado

2Fe2O3 + 3H2O

20 ~ 45

Siderita

Carbonato de Ferro

FeCO3

30 ~ 45

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Obtenção dos materiais ferrosos

Minérios

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Sinterização

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Sinterização

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Redução do Minério de Ferro no Alto Forno

• Após a limpeza do minério (separar as impurezas: argila e quartzo), o minério de ferro é britado (quebrado em pedregulhos) e compactado em briquetes (tijolos) • Em seguida, leva-se o minério ao Alto Forno, um equipamento com altura de até 80 metros e diâmetro de aproximadamente 18 metros.

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•

No alto forno ocorre a redução do minério, que significa tirar oxigênio dele 42

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Obtenção do ferro gusa líquido - Alto Forno

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ferro gusa líquido

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Como funciona o Alto Forno Fundente

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• Oxigênio é prejudicial – deve ser retirado (redução).

• Ocorrem reações de desoxidação do minério. • Coque: Carvão Mineral – fornece o carbono para a redução. • Calcário – desagrega o fósforo, o silício e o enxofre (parcialmente) • Altas temperaturas Fundente Prof. DORIVAL – jan /2015

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Interior do alto forno

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

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Como funciona o Alto Forno Ao sair do alto-forno, o ferro-gusa líquido é transportado por carros torpedos. – fundição (para ser usado na fabricação de ferros fundidos);

– aciaria (na qual pode ser misturado com sucatas de aço ou com outros metais, para se transformar em aço.

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Esquema do complexo industrial

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O que é o Ferro Gusa

O ferro gusa é uma liga de ferro com: • 5 a 6% de Carbono • 3% de Silício • 6% de Manganês • Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%)

Suas características: • O gusa é o pré-produto do ferro fundido e do aço. • É muito frágil (quebradiço), não pode ser soldado nem forjado. • Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%). • Não é usado como M.C.M., e sim para dar origem ao Aço e ao FoFo.

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Ferro Fundido – Obtenção

Feito na segunda fusão do Ferro Gusa em Forno Cubilot ou Forno Elétrico (menos usado), o Ferro Fundido é uma liga com de 2,0 a 4,5% de Carbono. • Maioria da Carga de Sucata de Aço (baixo carbono na composição);

MATERIAL MAIS PURO E COM MENOS CARBONO

• Lingotes de ferro Gusa

( FERRO FUNDIDO )

• Sucata de Ferro Fundido; • Coque • Fundente PODE SER USADO NA PRODUÇÃO DE PEÇAS Prof. DORIVAL – jan /2015

•MAIOR SOLDABILIDADE (CAPACIDADE DE SER SOLDADO) •MAIOR MOLDABILIDADE (CAPACIDADE DE SER FUNDIDO) •PONTO DE FUSÃO MENOR •GRÃOS MAIS FINOS E UNIFORMES 51

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Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot

Forno Cubilot: Forno usado na segunda fusão do gusa, para se obter o FoFo • Altura: aprox 8m

• Diâmetro interno: aprox 1m • Parte interna revestida de material refratário • Parte externa revestida de aço • Dutos próprios para a injeção de oxigênio (redução de carbono)]

• Saída do Ferro Fundido liquefeito por baixo Prof. DORIVAL – jan /2015

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Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot

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Ferro Fundido – Tipos e Características

Os tipos de Ferro fundido varia em função de como o carbono está combinado na estrutura: Combinado com o ferro, formando a CEMENTITA Separado do ferro, formando VEIOS DE CARBONO - GRAFITE Maior teor de:

Silício, com resfriamento mais lento

Mais Grafite

FoFos CINZENTOS Manganês, com resfriamento mais rápido

Mais Cementita

FoFos BRANCOS e FoFos MALEÁVEIS Prof. DORIVAL – jan /2015

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Ferro Fundido Cinzento Lamelar

Apresenta veios de grafite na sua estrutura, dado o alto teor de silício e a baixa velocidade de resfriamento CARACTERÍSTICAS

Presença dos Veios de grafite de forma de lamelas: FoFo LAMELAR

• Custo baixo • Fácil fundição (baixa temperatura de fusão) • Pouca contração na solidificação • Baixa porosidade • Boa usinabilidade • Grande resistência à compressão e impacto • Baixa resistência a tração

Usado na construção de estruturas de máquinas

• Boa capacidade de deslizamento (grafite lubrifica o contato) Prof. DORIVAL – jan /2015

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Ferro Fundido Cinzento Nodular

Obtido ao se adicionar ligas de magnésio na produção do FoFo Lamelar, as lamelas se transformam em nódulos (ou glóbulos) CARACTERÍSTICAS

Presença dos nódulos: FoFo NODULAR

As mesmas do FoFo Lamelar, porém com aumento de: • Resistência a corrosão (agentes químicos) • Resistência ao calor • Resistência a tração, flexão e alongamento E diminuição da resistência a compressão.

Usado na construção de tubos de grandes diâmetros para gás e água, máquinas agrícolas, blocos de motores, bombas e turbinas. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Ferro Fundido Branco ou Duro

Aqui, o carbono está ligado ao ferro em forma molecular. Essa molécula se chama Cementita: Fe3C CARACTERÍSTICAS • Alta Dureza e Resistência ao desgaste • Baixa resistência ao impacto • Alta resistência a compressão • Baixa usinabilidade • Má capacidade de deslizamento (o carbono não está solto na estrutura)

Usado em peças que necessitam de alta resistência ao desgaste, como ferramentas de estampo, cilindros de laminação, pás de escavadeiras, etc. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Ferro Fundido Maleável Branco

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

A maleabilização é feita quando se deseja que uma peça tenha uma camada superficial (de até 12mm) com menos fragilidade. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Processos de fundição

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Resumo

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Ferros Fundidos – Outras técnicas

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Velocidade de resfriamento varia

Tipo de FoFo altera-se.

•Na Produção de Rodeiros (rodas de trem), procura-se resfriar mais rapidamente a região externa da peça e mais lentamente o centro. Isso faz com que a periferia da peça seja de FoFo Branco e o centro seja de FoFo Cinzento.

•Ao recozer (fazer o recozimento, que é um tratamento térmico) o FoFo Branco, a Cementita se decompõem em grafite e ferro puro (ou quase). Isso maleabiliza a peça toda. Obtém-se o que chamamos de FoFo Maleável Preto. Prof. DORIVAL – jan /2015

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Aplicações dos Ferros Fundidos

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Aplicações dos Ferros Fundidos

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Aplicações dos Ferros Fundidos

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Aplicações dos Ferros Fundidos

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Materiais de construção mecânica

Obtenção do aço

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Forno compressor Bressemer

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Forno compressor Thomas

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Processo Bressemer e Thomas / Bressemer

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Conversor a oxigênio - LD

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Representação esquemática de um forno Siemens-Martin

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Forno a arco elétrico

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Forno por indução

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Resumo: Principais meios de se obter FoFo e Aço

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Elementos de liga

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Elementos de liga

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Elementos de liga

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Elementos de liga

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