MATERIAIS DE CONSTRUu00c7u00c3O.pdf - Materiais de...

This preview shows page 1 out of 211 pages.

You've reached the end of your free preview.

Want to read all 211 pages?

Unformatted text preview: Materiais de construção mecânica U1 - Título da unidade 1 Materiais de construção mecânica Éder Cícero Adão Simêncio © 2017 por Editora e Distribuidora Educacional S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A. Presidente Rodrigo Galindo Vice-Presidente Acadêmico de Graduação Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Alberto S. Santana Ana Lucia Jankovic Barduchi Camila Cardoso Rotella Cristiane Lisandra Danna Danielly Nunes Andrade Noé Emanuel Santana Grasiele Aparecida Lourenço Lidiane Cristina Vivaldini Olo Paulo Heraldo Costa do Valle Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica João Carlos dos Santos Luiz Eduardo Zampar Filho Editorial Adilson Braga Fontes André Augusto de Andrade Ramos Cristiane Lisandra Danna Diogo Ribeiro Garcia Emanuel Santana Erick Silva Griep Lidiane Cristina Vivaldini Olo Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Simêncio, Éder Cícero Adão S589m Materiais de construção mecânica / Éder Cicero Adão Simêncio. – Londrina : Editora e Distribuidora Educacional S.A., 2017. 208 p. ISBN 978-85-8482-849-4 1. Mecânica aplicada. 2. Materiais de construção. I. Título. CDD 620.11 2017 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 — Londrina — PR e-mail: [email protected] Homepage: Sumário Unidade 1 | Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais 7 Seção 1.1 - Deformações elástica e plástica 9 Seção 1.2 - Tensão e deformação verdadeira 26 Seção 1.3 - Ensaios de dureza e mecanismos de aumento de resistência dos metais Unidade 2 | Diagramas e transformações de fases 42 59 Seção 2.1 - Conceitos básicos e diagrama de fases unários 61 Seção 2.2 - Diagrama de fases binários em equilíbrio 77 Seção 2.3 - Diagrama de fases: sistema ferro-carbono 95 Unidade 3 | Tratamentos térmicos Seção 3.1 - Recozimento e normalização 111 113 Seção 3.2 - Têmpera e revenimento 132 Seção 3.3 - Martêmpera, austêmpera e tratamentos termoquímicos 147 Unidade 4 | Conformação e materiais de construção mecânica 159 Seção 4.1 - Conformação a quente 161 Seção 4.2 - Trabalho a frio 176 Seção 4.3 - Aços e ferros fundidos utilizados na construção mecânica 190 Palavras do autor Olá, estudante. Seja bem-vindo aos estudos da disciplina de Materiais de Construção Mecânica. Para chegar até aqui, você passou por diversas disciplinas e, certamente, cursou a disciplina de Ciência dos materiais, que é um alicerce importante para o desenvolvimento destes estudos. Neste livro, você aprenderá conceitos essenciais sobre as propriedades dos materiais, principalmente sobre os metais, que são, possivelmente, os materiais mais importantes para a engenharia mecânica e foco dos nossos estudos. O objetivo principal deste estudo é conhecer e compreender a relação entre as propriedades, o comportamento e as microestruturas dos materiais de construção mecânica. A partir da compreensão dessas relações, você será capaz de selecionar materiais adequados para uma determinada aplicação, por exemplo, decidir os metais apropriados que podem ser utilizados para a construção de blocos de motores automotivos, de maneira que atendam às características do projeto, do processamento e, consequentemente, da aplicação. O livro está estruturado da seguinte maneira: na Unidade 1 trataremos das propriedades mecânicas dos materiais metálicos e compreenderemo os conceitos de deformação plástica e elástica, tensão e deformação verdadeiras e, por fim, abordaremos os ensaios de dureza e os mecanismos de aumento de resistência dos metais. Já na Unidade 2, você será apresentado aos diagramas de fases para sistemas de ligas e compreenderá que os diagramas de fases fornecem informações extremamente importantes sobre alguns fenômenos, como a formação de microestruturas, fundição, fusão, entre outros. Na Unidade 3 serão abordados os principais tratamentos térmicos, as transformações de fases e as propriedades dos metais após serem submetidos a esses tratamentos. Na Unidade 4 vamos conhecer a conformação dos metais a quente e a frio e finalizaremos nossos estudos conhecendo os principais aços e ferros fundidos utilizados na construção mecânica. Assim, os estudos dos temas abordados nesta disciplina os tornarão capaz de avaliar e selecionar diferentes tipos de metais aplicados em projetos mecânicos. Unidade 1 Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais Convite ao estudo Caro aluno, seja bem-vindo à nossa primeira unidade do livro didático da disciplina de Materiais de Construção Mecânica. Iniciaremos os estudos desta unidade de ensino abordando um dos principaisensaiosutilizadosparaavaliaraspropriedadesmecânicasdos materiais, o ensaio de tração. No entanto, antes de compreendermos os gráficos e as informações geradas nesse ensaio, vamos entender os conceitos de tensão e deformação. A partir do gráfico de tensão e deformação vamos conhecer os conceitos de deformação elástica e deformação plástica, assim como os conceitos de ductilidade, resiliência e tenacidade. Posteriormente, serão introduzidos os conceitos de tensão verdadeira e deformação verdadeira, e você será capaz de compreender a diferença desses conceitos. Além dos conceitos obtidos a partir de um ensaio de tração, serão abordados temas tais como: deformações compressivas, cisalhante e torcional; a recuperação elástica e o coeficiente de Poisson; a deformação plástica dos materiais policristalinos, deformação por maclas, discordâncias e suas características; os sistemas de escorregamento, o aumento da resistência por: refino de grão, solução sólida e encruamento; a recuperação, recristalização e crescimento de grão; o cálculo do coeficiente de encruamento e, por fim, os ensaios de dureza Rockwell, Brinell, Knoop e Vickers. Os estudos desses temas os tornarão capaz de analisar as propriedades dos materiais a partir de ensaios mecânicos destrutivos. Isso tornará você, aluno, cada vez mais apto para selecionar e avaliar diferentes tipos de materiais aplicados em projetos mecânicos. Então, é chegada a hora do desafio desta unidade de ensino: você está atuando em uma das principais montadoras de automóveis, e recentemente não tem recebido boas notícias com seu último lançamento no mercado. Muitos clientes fizeram reclamações no serviço de atendimento ao cliente (SAC) relatando alguns casos de acidentes provocados pelo deslocamento das rodas dianteiras. Como um dos engenheiros mecânicos da equipe, de imediato, você foi acionado pelo diretor da fábrica para verificar o que está acontecendo. Analisando um dos automóveis que apresentaram esse problema, você concluiu que o problema estava nas buchas de fixação dos braços da suspensão dianteira. Mas qual o problema dessas buchas? As peças foram projetadas corretamente? Qual o material utilizado? É o material mais indicado? Como é possível fazer essa avaliação? Para responder a essas questões, ao longo da unidade, teremos três situações distintas: no primeiro momento, você indicará ao técnico de laboratório qual ou quais são as análises pertinentes para identificação do material e de suas propriedades mecânicas. Posteriormente, será necessário analisar se esses elementos de fixação estão sujeitos a deformações e, por fim, a partir dos dados obtidos em um ensaio de dureza, você concluirá a análise das propriedades do material utilizado a partir de ensaios mecânicos destrutivos. Os conteúdos abordados durante os seus estudos lhe darão suporte e segurana para uma boa avaliação do desafio proposto. Dessa forma, empenhe-se, dedique-se e estude. O perfil do profissional de engenharia é o de resolver problemas e você, na sua vida profissional, enfrentará diversos deles, mas o que lhe trará segurança? A resposta é simples: uma boa formação acadêmica, que dependerá em muito do seu empenho e dedicação em se tornar um profissional responsável e respeitado. Bons estudos! “Você não consegue escapar da responsabilidade de amanhã esquivando-se dela hoje”. Abraham Lincoln Seção 1.1 Deformações elástica e plástica Diálogo aberto Você faz parte da equipe de engenheiros de uma grande montadora de automóveis e a solução de problemas faz parte de sua rotina profissional. Recentemente, a empresa lançou um automóvel no mercado brasileiro e o SAC tem recebido diversas ligações de clientes insatisfeitos devido à quebra de um componente que faz com que as rodas dianteiras se desloquem, o que provocou alguns acidentes. Você foi acionado para verificar o que está acontecendo com esse modelo de carro, já que foi detectado um problema na fabricação. Os clientes deverão ser comunicados sobre um recall. Nesse primeiro momento, as causas serão investigadas, e você já tem em mãos as análises químicas do aço SAE 1020, que foi o metal utilizado na fabricação das buchas, e que, a priori, a escolha do material está correta. O aço SAE 1020 é um aço ao carbono mais comumente utilizado devido a uma boa combinação de propriedades. Segundo a norma SAE (Society of Automotive Engineers), uma das mais utilizadas, o aço SAE 1020 possui 0,2% de carbono em sua composição química e é classificado como aço de baixo carbono. Mas se o material está correto, qual será o problema dos elementos de fixação? Para ajudá-lo em suas conclusões, você solicitou um ensaio de tração de uma amostra do aço que foi utilizado e o laudo técnico já está em sua mesa para análise. A quais informações e conclusões você chegou após estudar esse laudo, e o que você deverá reportar para a diretoria? Nesta seção, vamos discutir sobre os conceitos de tensão e deformação para que você seja capaz de analisar a curva obtida de um ensaio de tração e obter informações importantes quanto às propriedades mecânicas dos materiais, tais como: ductilidade, resiliência e tenacidade. É muito importante compreender os dados obtidos por ensaios mecânicos, como o ensaio de tração, pois são dados que devem ser considerados em um projeto mecânico. U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais 11 Para os seus estudos, além deste material, faça uso das diferentes bibliografias básicas e complementares que estão disponíveis em nossas bibliotecas e pesquise em sites confiáveis. Pronto para iniciarmos nossos estudos? Muito boa sorte e lembre-se: dedique-se aos estudos! Não pode faltar As propriedades mecânicas de um material são aquelas que envolvem uma reação a uma carga aplicada. Essas propriedades determinam a gama de utilidade de um material e estabelecem a vida útil que pode ser esperada de um determinado componente, além de serem utilizadas para ajudar a classificar e identificar um material. As propriedades mecânicas mais comuns são a resiliência, ductilidade, dureza, resistência ao impacto e à fratura. No entanto, essas propriedades de um material não são constantes e muitas vezes mudam em função da temperatura, taxa de carga e outras condições. A aplicação de uma força em um objeto é conhecida como carregamento. Os materiais podem ser submetidos a diferentes cenários de carregamento. Existem cinco condições fundamentais de carga: compressão, flexão, cisalhamento, torção e tração. A compressão envolve a pressão uniaxial de cargas no mesmo sentido. O carregamento por flexão envolve a aplicação de uma carga de modo que o material se curve, resultando, assim, na compressão de um lado desse material e no estiramento do outro. O cisalhamento envolve a aplicação de forças em sentidos opostos, mas com direção semelhante. A torção, como o próprio nome diz, é a aplicação de uma força que provoca a torção do material. A tração é o tipo de carga com a qual duas seções do material, uma de cada lado do plano, são puxadas em sentidos opostos, o que provoca o alongamento delas. A Figura 1.1 mostra as forças aplicadas em cada um dos tipos de carregamento citados, na qual a linha pontilhada indica a metade do comprimento do corpo de prova. 12 U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais Torção Cisalhamento Flexão Compressão Tração Figura 1.1 | Forças de carregamentos Fonte: elaborada pelo autor. Os carregamentos ocorrem de duas maneiras: se o material é submetido a uma força constante, o carregamento é denominado estático; se o carregamento do material não é constante, isto é, se ocorrem variações na intensidade ou velocidade da força, o carregamento é chamado de dinâmico ou cíclico. A maneira como um material é carregado afeta, e muito, suas propriedades mecânicas, e determina, em grande parte, como um componente falhará ou se o mesmo dará sinais de alerta antes da falha realmente ocorrer. A palavra tensão é utilizada para expressar o carregamento em termos de força aplicada a uma determinada área da seção transversal de um objeto. Do ponto de vista de carga, a tensão é a força aplicada ou um sistema de forças que tende a deformar um corpo. Já do ponto de vista do que está acontecendo dentro de um material, a tensão é a distribuição interna de forças do corpo que se equilibram e reagem às cargas aplicadas a ele. A distribuição de tensão pode ou não ser uniforme, dependendo da natureza da condição de carga. Por exemplo, uma barra carregada em tensão terá essencialmente uma distribuição uniforme de tensões de tração. No entanto, uma barra carregada em flexão terá uma distribuição de tensão que varia com o raio da barra. Com o intuito de simplificar os cálculos de engenharia, a tensão é representada como U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais 13 uma quantidade vetorial que possui magnitude e direção. Por exemplo, a tensão em uma barra carregada axialmente (Figura 1.2) é representada matematicamente igual à força (F) aplicada dividida pela área da seção transversal da barra (A0), como mostra a Equação 1.1, em que a tensão é representada pela letra grega sigma (σ). Figura 1.2 | Barra cilíndrica carregada uniaxialmente Fonte: elaborada pelo autor. σ = F A0 (1.1) A unidade de tensão, de acordo com o sistema internacional (SI), é o pascal (Pa) e seus múltiplos: quilo (k), mega (M) e giga (G). A unidade Pascal corresponde a um Newton (N) dividido por metro quadrado (m2), isto é, N , sendo 1 Mpa = 106N/m2. m2 Além da tensão, é importante compreendermos o conceito de deformação, que é a resposta de um sistema a uma tensão aplicada. Quando um material é sujeito a uma força, essa força produz uma tensão que, por sua vez, faz com que o material se deforme. A deformação de engenharia é representada pela letra grega épsilon (ε). É definida como a quantidade de deformação na direção da força aplicada dividida pelo comprimento original, conforme apresentado na Equação 1.2. ε = li – l0 = ∆l l0 l0 (1.2) Onde l0 representada o comprimento original antes de qualquer tipo de carregamento, li é o comprimento instantâneo e ∆l representa a variação do comprimento, também denominado alongamento 14 U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais em relação ao comprimento original (CALLISTER JR., 2012). A Figura 1.3 apresenta um material submetido à tração com o comprimento original e após sua deformação. Figura 1.3 | Deformação após tração Fonte: elaborada pelo autor. Diferentemente da tensão, a deformação no SI é adimensional, no entanto, pode ser representada por metros por metros (m/m) ou como porcentagem, em que o valor obtido é multiplicado por 100. Os conceitos de tensão e deformação são importantes para compreendermos os resultados obtidos a partir de um ensaio de tração, que são dados de força em função do alongamento. Assim como a tensão, a distribuição da deformação pode ou não ser uniforme em um elemento estrutural complexo, dependendo da natureza da condição de carga. As propriedades de resistência à tensão de tração indicam como o material reage às forças nele aplicadas. O ensaio de tração é um ensaio mecânico fundamental no qual uma amostra cuidadosamente preparada em relação à própria forma e às próprias dimensões (padronizadas conforme norma ABNT NBR ISO 6892-1:2013 - versão corrigida 2:2018) é carregada de uma forma muito controlada enquanto se medem a carga aplicada e o alongamento ao longo do eixo longitudinal da amostra, registrando a sua variação de comprimento. (CALLISTER JR., 2012). A Figura 1.4 mostra uma representação esquemática do equipamento utilizado no ensaio de tração. U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais 15 Figura 1.4 | Representação esquemática do equipamento utilizado para ensaios de tração Fonte: Callister Jr. (2001, p. 151). Assimile Para a realização dos ensaios mecânicos de tração, é comum utilizar um único equipamento, denominado máquina universal de ensaios. Os testes de tração são usados para determinar algumas propriedades importantes como: o módulo de elasticidade; o limite elástico; o alongamento; o limite proporcional; a redução de área; a resistência à tração; o limite de elasticidade; e outras propriedades de tensão. Os principais produtos de um ensaio de tração são os valores de carga e alongamento, que são posteriormente convertidos em uma curva de tensão x deformação. Uma vez que a tensão e a deformação são obtidas dividindo a carga e o alongamento por valores constantes (dados da geometria da amostra), é possível obtermos a curva tensãodeformação de engenharia. A curva tensão-deformação relaciona a tensão aplicada à sua respectiva deformação resultante e cada material tem sua própria e única curva. Uma curva típica de tensão-deformação de engenharia para ligas metálicas não ferrosas é apresentada na Figura 1.5, em que os pontos 1 e 2 correspondem, respectivamente, ao limite de proporcionalidade e à tensão de escoamento determinado pelo método da pré-deformação. 16 U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais Tensão σ = F/A0 Figura 1.5 | Curva tensão versus deformação 0,2% Deformação ε = ∆l l0 Fonte: < yield.svg.png>. Acesso em: 3 nov. 2016. Na Figura 1.5 é possível observar que a tensão e a deformação aumentam inicialmente com uma relação linear, isto é, a tensão e a deformação são proporcionais. Nessa região de proporcionalidade ocorre a deformação denominada deformação elástica (CALLISTER JR., 2012). Como o próprio nome sugere, para esse tipo de deformação, quando a tensão é reduzida, o material retornará à sua forma original. Nessa região linear, a linha obedece à relação definida como a Lei de Hooke, dada pela Equação 1.3: σ = Eε (1.3) Na Equação 1.3, E é o módulo de elasticidade ou módulo Young, que pode ser obtido pela inclinação da linha (coeficiente angular da reta) na região onde a tensão é proporcional à deformação, ou pela razão entre a tensão e a deformação. O módulo de elasticidade (E) define as propriedades de um material à medida que sofre uma tensão, deforma e retorna à sua forma original após a tensão ser removida, e é uma medida da rigidez de um dado material (CALLISTER JR., 2012). A Figura 1.6 apresenta a região de deformação plástica na curva tensãodeformação em um ciclo de carga e descarga. U1 - Propriedades mecânicas e mecanismos de aumento de resistência dos metais 17 Figura 1.6 | Esquemático tensão-deformaão na região de deformação plástica Fonte: Callister Jr. (2001, p. 155). Como a deformação é adimensional, o módulo de elasticidade (E) terá as mesmas unidades que a tensão (GPa ou psi). O módulo de elasticidade aplica-se especificamente à situação de um componente alongado por uma força de tração. Esse módulo é de interesse, pois quanto maior o seu valor, mais rígido o material. No entanto, para a maioria dos materiais de engenharia, existe um componente da deformação elástica que depende do tempo. Isso significa que após a liberação da carga, será necessário um tempo finito pa...
View Full Document

  • Fall '19
  • São Paulo, Força, Deformação, Ductilidade

  • Left Quote Icon

    Student Picture

  • Left Quote Icon

    Student Picture

  • Left Quote Icon

    Student Picture