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Processos de fabricação - Apostilas - Administração Part1, Notas de estudo de Administração Empresarial

Apostilas de Administração sobre o estudo dos Processos de fabricação, Fundição, Usinagem, Soldagem, Metalurgia do pó, Conformação mecânica, Ensaios mecânicos, Propriedades mecânicas avaliadas, Corpos de prova.

Tipologia: Notas de estudo

2013

Compartilhado em 28/06/2013

jacare84
jacare84 🇧🇷

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Baixe Processos de fabricação - Apostilas - Administração Part1 e outras Notas de estudo em PDF para Administração Empresarial, somente na Docsity! Universidade do Vale do Itajaí Campus VII - São José UNIVALI Direção do Centro de Educação Superior PROCESSOS DE FABRICAÇÃO I UNIDADE 1 Curso de Engenharia Industrial Mecânica Prof. Dr. Eng. Cláudio Roberto Losekann AGOSTO/2001 II ÍNDICE ANALÍTICO ÍNDICE ANALÍTICO.......................................................................................................................................... II ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................ V PROCESSOS DE FABRICAÇÃO .......................................................................................................................1 1 - INTRODUÇÃO ................................................................................................................................................1 1.1 - FUNDIÇÃO ...............................................................................................................................................5 1.2 - USINAGEM...............................................................................................................................................5 1.3 - SOLDAGEM..............................................................................................................................................6 1.4 - METALURGIA DO PÓ.............................................................................................................................6 1.5 - CONFORMAÇÃO MECÂNICA ...............................................................................................................7 2 - ENSAIOS MECÂNICOS.................................................................................................................................8 2.1 - INTRODUÇÃO..........................................................................................................................................8 2.2 - DEFINIÇÃO .................................................................................................................................................10 2.2.1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS ......................................................................................................10 2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECÂNICOS.......................................................................................................12 2.3.1 - ENSAIO DE TRAÇÃO ......................................................................................................................13 2.3.1.1 - Diagrama tensão - deformação....................................................................................................................15 2.3.1.2 - Propriedades mecânicas avaliadas ..............................................................................................................18 2.3.1.3 - Corpos de prova..........................................................................................................................................22 2.3.1.4 - Limite de escoamento: valores convencionais ............................................................................................26 2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO............................................................................................................27 2.3.2.1 - Limitações do ensaio de compressão ..........................................................................................................28 2.3.2.2 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis................................................................................................29 2.3.2.3 - Ensaio de compressão diametral .................................................................................................................29 2.3.3 - ENSAIO DE FLEXÃO ......................................................................................................................35 2.3.3.1 - Significado de flexão ..................................................................................................................................35 2.3.3.2 - Método do ensaio de flexão ........................................................................................................................39 2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA......................................................................................................................41 2.3.4.1 - Dureza Brinell.............................................................................................................................................43 2.3.4.2 - Dureza Meyer .............................................................................................................................................48 2.3.4.3 - Dureza Rockwell.........................................................................................................................................49 2.3.4.4 - Dureza Vickers ...........................................................................................................................................55 2.4.4.5 - Microdureza por penetração .......................................................................................................................57 V ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricação no contexto atual. 3 FIGURA 1.2 - Extrusão de cerâmica e Injeção de plástico 4 FIGURA 1.3 - Fundição em cera perdida. 5 FIGURA 1.4 - Metalurgia do pó. 7 FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecânicos. a) Máquina de ensaio universal; b) Durômetro. 11 FIGURA 2.2 - Peça tracionada. 13 FIGURA 2.3 - Tensão de tração. 13 FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de tração. a) antes do ensaio; b) após o ensaio. 14 FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais através do diagrama σx ε. 16 FIGURA 2.6 - Material dúctil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. 17 FIGURA 2.7 - Material frágil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. 18 FIGURA 2.8 - diagrama σ x ε para ligas do tipo aço baixo carbono. 18 FIGURA 2.9 - Alongamentos na tração e na compressão. 20 FIGURA 2.10 - Curvas de tensões reais e de engenharia. 21 FIGURA 2.11 - Máquina de ensaio e registrador. 22 FIGURA 2.12 - Corpos de prova. 23 FIGURA 2.13 - Tipos de fixação. 23 FIGURA 2.14 - Preparação de corpo de prova. 24 FIGURA 2.15 - Ruptura do corpo de prova no centro. 25 FIGURA 2.16 - Ruptura do corpo de prova fora de centro. 25 FIGURA 2.17 - Determinação do Limite de Escoamento. 26 FIGURA 2.18 - Esquema da compressão. 27 FIGURA 2.19 - Ensaio de compressão. a) normal; b) flambagem. 28 FIGURA 2.20 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis. 29 FIGURA 2.21 - Esquema de esforços aplicados em um corpo de prova cilíndrico de dimensões D e L. 30 FIGURA 2.22 - Representação esquemática da distribuição das tensões de compressão e de tração. 30 FIGURA 2.23 - Ensaios em molas. 31 8) O Que é limite de escoamento? 34 FIGURA 2.24 - Flexão em uma barra de secção retangular. 36 FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexão. 37 VI FIGURA 2.26 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade. 38 FIGURA 2.27 - Método de flexão a três pontos. 39 FIGURA 2.28 - Método de flexão a quatro pontos. 40 FIGURA 2.29 - Ângulo φ nas impressões Brinell . 45 FIGURA 2.30 - Penetradores de Dureza Rockwell . 50 FIGURA 2.31 - Indicador analógico . 51 FIGURA 2.32 - Esquema da seqüência de operações . 52 FIGURA 2.33 - Aspectos da fratura . 66 FIGURA 2.34 - Máquina de ensaio de impacto . 68 FIGURA 2.35 - Ensaio Charpy e Izod . 71 FIGURA 2.36 - Corpos de prova Charpy e Izod . 71 FIGURA 2.37 - Temperatura de transição . 73 FIGURA 2.38 - Retirada de amostras. 74 FIGURA 2.39 - Curvas de energia absorvida de um mesmo material. 75 FIGURA 2.40 - Influencia da localização de um corte longitudinal axial sobre o aspecto de segregação. 78 FIGURA 2.41 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente e com feixes incidentes e de reflexão de luz. 81 FIGURA 2.42 - Macrografia de uma peça de alumínio fundido com contornos de grãos revelado por ataque com HCl. 82 FIGURA 2.43 - Micrografia da perlita. 82 FIGURA 3.1 - Limagem. 88 FIGURA 3.2 - Limagem em bancada. 89 FIGURA 3.3 - Limagem em torno. 90 FIGURA 3.4 - Perfis de lima. 92 FIGURA 3.5 - Limas rotativas. 92 FIGURA 3.6 - Limas especiais. 93 FIGURA 3.7 - Características gerais das limas. 94 FIGURA 3.8 - Traçado no plano. 96 FIGURA 3.9 - Traçado no espaço. 96 FIGURA 3.10 - Tipos de esquadro. 97 FIGURA 3.11 - Graminho. 98 FIGURA 3.12 - Goniômetro. 98 FIGURA 3.13 - Compasso. 99 VII FIGURA 3.14 - Calço de apoio simples e forma de T para grandes apoios. 99 FIGURA 3.15 - Serra manual. 100 FIGURA 3.16 - Direção de corte. 100 FIGURA 3.17 - Serras circulares. a) caso 1; b) caso 2. 101 FIGURA 3.18 - Serras contínuas. 102 FIGURA 3.19 - Etapas da furação. 102 FIGURA 3.20 - Furadeira de bancada. 103 FIGURA 3.21 - Furadeira de coluna. 103 FIGURA 3.22 - Furadeira radial. 104 FIGURA 3.23 - Furadeira de coordenadas. 105 FIGURA 3.24 - Broca. 106 FIGURA 3.25 - Ponta da broca. 106 FIGURA 3.26 - Ângulo da ponta. 107 FIGURA 3.27 - Ângulo de folga. 108 FIGURA 3.28 - Escareadores. 109 FIGURA 3.29 - Pente para determinação de rosca. 110 FIGURA 3.30 - Macho desbastador. 111 FIGURA 3.31 - Desandador. 112 FIGURA 3.32 - Cossinete de entrada helicoidal. 113 FIGURA 3.33 - Roscamento externo com cossinete. 113 FIGURA 3.34 - Roscamento externo com ferramenta de perfil múltiplo. 114 FIGURA 3.35 - Roscamento externo com ferramenta de perfil único. 114 FIGURA 3.36 - Roscamento externo com fresa de perfil múltiplo. 115 FIGURA 3.37 - Roscamento externo com com jogo de pentes. 116 FIGURA 3.38 - Roscamento interno com macho. 117 FIGURA 4.1 - Afiação. 119 FIGURA 4.2 - Cilíndrico de acabamento. 120 FIGURA 4.3 - a) Cônico de acabamento, b) Cônico de desbaste. 120 FIGURA 4.4 - Aplainamento de guias. 121 FIGURA 4.5 - Aplainamento de perfis. 121 FIGURA 4.6 - Aplainamento de ranhuras T. 121 FIGURA 4.7 - Aplainamento de rasgos. 122 FIGURA 4.8 - Aplainamento de rasgo de chavetas. 122 FIGURA 4.9 - Aplainamento de superfícies cilíndricas de revolução. 122 2 Um dos processos de fabricação mais antigo é o processo de fundição. Utilizado pela civilização desde 4.000 a.C. a 3.000 a.C., iniciando-se com o processo de fundição de cobre, seguindo com o bronze e posteriormente com o ferro, por causa do seu elevado ponto de fusão. Estima-se que o homem das cavernas conhecia o ferro e suas origens como matéria prima para a fabricação de armas e implementos agrícolas. Naquela época, o ferro era considerado metal nobre e precioso, sendo utilizado quase que exclusivamente para aqueles fins e também como metal de adorno. Com o passar do tempo, o homem descobriu outras utilidades que o minério de ferro poderia proporcioná-los. Em fornos rudimentares, construídos nas encostas das colinas e aproveitando o fluxo do vento para intensificar a combustão da lenha, esse processo aumentava a produção de metal fundido, fruto da redução direta do metal pela queima de lenha. Na Idade Média, a Europa considerava a produção de ferro de suma importância. Nessa época, obtinha-se um tipo grosseiro de ferro fundido pela redução direta do minério, sem a obtenção direta do ferro gusa. Isso implicava na obtenção de uma massa pastosa que, ao solidificar, tornava-se frágil e quebradiça, o que obrigava sua aplicação por meio de forjados excessivamente pesados e maciços, em geral, espadas, adagas e machados de difícil manejo. Daí em diante, o processo se desenvolveu cada vez mais. Somente nos últimos séculos vêm sido utilizado a cerâmica em fornos de fundição para controlar o calor no processo de fundição. Por volta de 1.450 é que se iniciou a obtenção intermediária do ferro gusa, já que se conseguiam maiores temperaturas nos processos então utilizados. Em conseqüência, o ferro absorvia maior quantidade de carbono (do carvão vegetal), formando o ferro gusa que escorria de forma não pastosa, permitindo seu melhor manuseio. Em 1.640, foi desenvolvido o primeiro alto-forno para produção de ferro gusa. Nessa época, a indústria siderúrgica passou a ocupar um papel mais preponderante nas atividades comerciais e na economia dos países ocidentais, entretanto o consumo de carvão vegetal para a produção de ferro, provocou uma devastação florestal de repercussão danosa. Somente em 1.710, período da Revolução Industrial, é que se revigorou, na Grã- Bretanha, o uso industrial do coque (derivado do carvão mineral) como substituto do carvão 3 vegetal na redução do minério de ferro, provocando um novo e importante impulso na atividade siderúrgica. Entretanto, essas evoluções da fundição, decorriam da indústria têxtil, visto que, neste período, a produção do tecido de lã não atendia a demanda. Invenções como a máquina de fusos múltiplos produziam rapidamente maior quantidade de fio, especialmente de algodão, que era importado dos Estados Unidos, tornando-se vital para a indústria têxtil da Grã-Bretanha. Mais aparelhos de fiação como: o “water frame” - bastidor de fiação de algodão movido a água - e a máquina de fiação (1.770), o tear mecânico de Cartwright, que podia ser operado por mão-de-obra não especializada, marcou o fim da tecelagem manual. Desta forma, aumentava a produção têxtil e conseqëntemente a produção de equipamentos para fabricação destas máquinas. A descoberta do motor a vapor, do aço e posteriormente a eletricidade contribuíram de forma significativa a evolução dos processos de fabricação. No contexto atual os processo de fabricação de produtos de consumo estão interligados. A figura abaixo mostra, de uma forma resumida, estas interligações. Matéria-prima Processo de fabricação Metal-mecânica Processo de fabricação Plástico Processo de fabricação Cerâmica Consumidor FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricação no contexto atual. A figura abaixo mostra o processo de extrusão de cerâmica e de injeção de plástico. A metalurgia do pó utiliza o mesmo processo da injeção de plástico com algumas alterações. 4 FIGURA 1.2 - Extrusão de cerâmica e Injeção de plástico A fabricação pode ser definida como a arte e a ciência de transformar os materiais em produtos finais utilizáveis e - num contexto de economia de mercado - rentáveis. O processo global de fabricação é uma série de interações complexas entre materiais, máquinas, pessoas e energia, começando com a criação de peças individuais que irão finalmente constituir, através de operações de montagem, um produto final. Na seleção dos materiais para as peças, tem-se em vista as características exigidas das peças e o seu comportamento nos sistemas que farão partes; e, por outro lado, as propriedades que os materiais devem apresentar para atender adequadamente as características exigidas com custo mínimo e a vida útil esperada. A escolha do processo de fabricação é feita considerando-se as características de trabalho das peças, seu material, forma e dimensões, o número de unidades a produzir, a taxa de produção, a vida útil requerida de cada unidade e o grau e precisão e acabamento estipulados. Sempre existe uma interação entre o material da peça e o processo de fabricação, na qual um exerce restrições sobre o outro, sendo esta, portanto, consideração essencial, na maioria dos casos, para seleção de ambos. No caso particular dos metais, que são um dos materiais mais empregados na construção mecânica, sua obtenção se inicia com extração e refino do minério e vem, geralmente, seguido da fusão para obtenção do metal na forma líquida e, posteriormente, convertê-lo em formas (grânulos, barras, pós) que possam ser convenientemente utilizadas nos diversos processos de fabricação. Os processos de fabricação na indústria metal-mecânica 7 FIGURA 1.4 - Metalurgia do pó. 1.5 - CONFORMAÇÃO MECÂNICA É o nome genérico dos processos em que se aplica uma força externa sobre a matéria- prima, obrigando-a a tomar forma desejada por deformação plástica. O volume e a massa do metal se conservam neste processos. As vantagens principais são: bom aproveitamento da matéria-prima, rapidez na execução, possibilidade de melhoria e controle das propriedades mecânicas do material. Por exemplo: bolhas e porosidades em lingotes fundidos podem ser eliminados através de conformação mecânica a quente, melhorando a ductilidade e a tenacidade. A dureza do produto pode ser controlada alternando etapas de conformação a frio e recozimento. Assim, a disciplina de Processos de Fabricação inicia com um estudo de ensaios mecânicos para compreender as propriedades mecânicas dos materiais para correlacionar com os processos de fabricação nas áreas de metal-mecânica, plásticos e cerâmicos, seguido de ajustagem, que pode ser considerado como etapas de usinagem e, posteriormente as duas grandes áreas de processos de fabricação, finalizando com processamento de polímeros e de cerâmicos. 8 2 - ENSAIOS MECÂNICOS 2.1 - INTRODUÇÃO A nova tendência de matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação determinaram à criação de métodos padronizados de produção, e ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. Todos os materiais têm propriedades distintas. A começar pela Tabela Periódica, onde cada elemento químico tem um número e massa atômica própria. O uso correto do material depende do profundo conhecimento dele e das implicações tecnológicas de sua obtenção, por exemplo, metais, semicondutores, cerâmicos, plásticos, compósitos. Todos esses materiais podem ser encontrados tanto em um automóvel quanto em uma espaçonave. Os materiais acima descrito podem ser agrupados em dois grupos e quatro subgrupos: Materiais metálicos; Materiais não-metálicos. A tabela abaixo mostra este agrupamento. MATERIAIS METÁLICOS NÃO-METÁLICOS Ferrosos Não-ferrosos Naturais Sintéticos Aços Alumínio Madeira Vidro Ferros fundidos Cobre Asbesto Cerâmica Zinco Couro Plástico Magnésio Semicondutor (C, Ge, Si,...) Semicondutor (GaAs, GaAsP, CdS,...) Chumbo Borracha Borracha Tungstênio Compósito 9 Alguns dos materiais da tabela acima são duro e frágil, outros são moles e dúcteis. Uns tem elevado ponto de fusão, outros tem baixo e alguns nem apresentam ponto de fusão definido, ou seja, os materiais apresentam propriedades físicas e químicas distintas. Propriedades físicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas e óticas; Propriedades químicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades de atividade, difusividade, resistência a oxidação, resistência a corrosão. Às vezes é comum encontrar a propriedade mecânica de um material distinta da propriedade física, conforme o exemplo do polímero abaixo: Nome: poli (estireno-butadieno-acrilonitrila) - ABS - alto impacto Composição: (CH2-CH-C6H4)n Classificação: Polímeros Aplicações: Gabinetes e caixas domésticas, caixas de televisão, telefones, batedeiras e liqüidificadores, aspiradores de pó, box para chuveiros. Processos: injeção, usinagem, outros. Propriedades Mecânicas Ductilidade: 0,06 - 0,09 Coeficiente de Poisson: 0,38 - 0,42 Coeficiente de Atrito: 0,47 - 0,52 Dureza: 70 - 140 (MPa) Módulo de Bulk: 3 - 4,4 (GPa) Módulo de Cisalhamento: 0,7 - 0.95 (GPa) Módulo de Elasticidade: 1,8 - 2,7 (GPa) 12 Tenacidade: é a capacidade que um material tem de absorver energia até a sua ruptura, quando o mesmo for submetido à esforços estáticos ou dinâmicos. Os materiais dúcteis apresentam maior tenacidade que os materiais frágeis. O ferro fundido e o vidro são dois materiais frágeis, entretanto, os ferros fundidos apresentam maior tenacidade que os vidros; Maleabilidade: é a capacidade que um material tem de se transformar em lâminas quando submetidos a esforços estáticos. Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados mediante normas técnicas que compreendem testes, cálculos, gráficos para a determinação de propriedades mecânicas. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios vem das seguintes instituições: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas); ASTM (American Society for Testing and Materials); DIN (Deuches Institut für Normung); AFNOR (Association Française de Normalisation); BSI (British Standards Institution); ASME (American Society of Mechanical Engineer); ISO (International Organization for Standardization); JIS (Japanese Industrial Standards); SAE (Society of Automotive Engineers). Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam esforços nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. Os ensaios mecânicos padronizados são realizados em laboratórios equipados adequadamente para levantamento de dados, entretanto, alguns ensaios não padronizados para uma análise prévia, pode ser feita em oficina como o ensaio por lima (verificação de dureza por meio do corte de cavaco) e o ensaio em esmeril (verificação do teor de carbono em um aço através da análise da centelha). 2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECÂNICOS Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação mais utilizada é a que separa em dois grupos: ensaios destrutivos: são aqueles que ocorrem mediante a destruição do corpo de prova ou peça ou que deixam algum sinal, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Estes ensaios são: Tração, Compressão, Cisalhamento, Dobramento, Flexão, Embutimento, Torção, Dureza, Fluência, Fadiga, Impacto. 13 ensaios não destrutivos: são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqüência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por esta razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados ou semi-acabados. Estes ensaios são: Líquido Penetrante, Partículas Magnéticas, Ultra-som e Radiografia Industrial. 2.3.1 - ENSAIO DE TRAÇÃO O ensaio de tração consiste em submeter uma peça ou corpo de prova a um esforço que tende alongá-lo até a ruptura, desta forma, é possível conhecer como os materiais reagem aos esforços ou cargas de tração, que são lidos na própria máquina de ensaio ou através de um computador acoplado que registra as cargas e as deformações ocorridas, e quais os limites de tração que suportam. Através deste ensaio, pode-se determinar a tenacidade de um material. Pode-se afirmar que uma peça está submetida a esforços de tração, quando uma carga normal “F” ( tem a direção do eixo da peça), atuar sobre a área de secção transversal da peça. Quando a carga atuar no sentido dirigido para o exterior da peça, a peça está tracionada. A F F FIGURA 2.2 - Peça tracionada. σ = F A F FIGURA 2.3 - Tensão de tração. Como exemplo de peças tracionadas, tem-se as correias, os parafusos, os cabos de aço, correntes. Esta tensão é também denominada de tensão normal de tração. A carga normal “F”, que atua na peça, origina nesta, uma tensão normal “σ” (sigma), que é determinada através da relação entre a intensidade da carga aplicada “F”, e a área de seção transversal da peça “A”. 14 onde: σ - tensão normal [ N/mm2; MPa; ...] F - força normal ou axial [N; kN; ...] A - área da secção transversal da peça [m2; mm2; ...] No Sistema Internacional, a força é expressa em Newtons (N), a área em metros quadrados (m2). A tensão (σ) será expressa, então, em N/m2, unidade que é denominada Pascal (Pa). Na prática, o Pascal torna-se uma medida muito pequena para tensão, então usa- se múltiplos desta unidade, que são o quilopascal (kPa), megapascal (MPa) e o gigapascal (GPa). 1 Pa 1 N/m2 1 MPa 1 N/mm2 1 GPa 1 KN/mm2 1 GPa 103 MPa 1 MPa 0,102 kgf/mm2 A aplicação de uma força axial de tração em um corpo de prova, produz uma deformação neste corpo, embora muitas vezes não perceptível a olho. Esta deformação é seguida de um aumento no seu comprimento com diminuição da área da secção transversal, conforme ilustra a figura abaixo. Antes do ensaio são medidas a área de seção transversal “A0” do CP e a distância “L0” entre dois pontos marcados neste. Lo A0 a) Af FF Lf b) FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de tração. a) antes do ensaio; b) após o ensaio. 17 Após ter começado a estricção, um carregamento mais baixo é o suficiente para a deformação do corpo de prova, até a sua ruptura. A tensão σE correspondente ao início do escoamento é chamada de tensão de escoamento do material; a tensão σR correspondente a carga máxima aplicada ao material é conhecida como tensão de resistência, e a tensão σr correspondente ao ponto de ruptura é chamada tensão de ruptuta. a) b) FIGURA 2.6 - Material dúctil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. Materiais frágeis, como ferro fundido, vidro e pedra, são caracterizados por uma ruptura que ocorre sem nenhuma mudança sensível no modo de deformação do material. Então para os materiais frágeis não existe diferença entre tensão de resistência e tensão de ruptura. Além disso, a deformação até a ruptura é muito menor nos materiais frágeis do que nos materiais dúcteis. Não há estricção nos materiais frágeis e a ruptura se dá em uma superfície perpendicular ao carregamento. 18 a) b) FIGURA 2.7 - Material frágil. a) diagrama σ x ε; b) aspecto da fratura. 2.3.1.2 - Propriedades mecânicas avaliadas A figura abaixo, que representa um diagrama tensão - deformação de um material com inclusões não-metálicas (Fe3C, AlSi, ...) em aços e algumas ligas de alumínio, mostra algumas propriedades significantes que são: FIGURA 2.8 - diagrama σ x ε para ligas do tipo aço baixo carbono. σp - Tensão Limite de Proporcionalidade: Representa o valor máximo da tensão, abaixo do qual o material obedece a lei de Hooke. σE - Tensão Limite de Escoamento: A partir deste ponto aumentam as deformações sem que se altere, praticamente, o valor da tensão. Quando se atinge o limite de escoamento, diz-se que o material passa a escoar-se. 19 σR - Tensão Limite de Resistência: A tensão correspondente a este ponto recebe o nome de limite de resistência ou resistência a tração, pois corresponde a máxima tensão atingida no ensaio de tração. σr - Tensão de Ruptura: A tensão correspondente a este ponto recebe o nome de limite de ruptura; é a que corresponde a ruptura do corpo de prova. Região Elástica: O trecho da curva tensão - deformação, compreendido entre a origem e o limite de proporcionalidade, recebe o nome de região elástica. Região Plástica: Chama-se região plástica o trecho compreendido entre o limite de proporcionalidade e o ponto correspondente a ruptura do material. A tenacidade e o módulo de elasticidade longitudinal, geralmente representada pela letra “E”, são duas outras propriedades mecânicas que podem ser tiradas deste diagrama através de cálculos. A tenacidade pode ser determinada através da área da curva de tensão - deformação com a abcissa (deformação), enquanto que o módulo de elasticidade longitudinal é determinado através de: E tg= α . O módulo de elasticidade longitudinal só é válido para a região que obedece a Lei de Hooke, ou seja, no regime elástico. Lei de Hooke No trecho inicial do diagrama da figura acima, a tensão “σ” é diretamente proporcional à deformação “ε” e pode-se escrever: E = σ ε . Essa relação é conhecida como Lei de Hooke, e se deve ao matemático inglês Robert Hooke (1.635-1.703). O coeficiente “E” é chamado módulo de elasticidade longitudinal, ou módulo de Young (cientista inglês, 1.773-1.829), que é determinado pela força de atração entre átomos dos materiais, isto é, quando maior a atração entre átomos, maior o seu módulo de elasticidade. Exemplos: Eaço = 2,1 x 10 4 kgf/mm2, Ealumínio = 0,7 x 10 4 kgf/mm2, etc. Esta propriedade também é anisotrópica, pois depende do material ser monocristalino, direção de crescimento do cristal, material, e no caso de policristalino, a orientação e tamanho dos cristais (grãos). A tabela abaixo mostra o módulo de elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia. 22 ao longo do corpo de prova seja uniforme e admitindo-se volume constante pode-se demonstrar que: ( )ε εreal = ln 1+ ; ( )σ σ εreal = +1 . 2.3.1.3 - Corpos de prova O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com normas técnicas. Geralmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular. Estas condições dependem dos acessórios da máquina de ensaio de tração e também dependem da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostram as figuras a seguir. FIGURA 2.11 - Máquina de ensaio e registrador. 23 FIGURA 2.12 - Corpos de prova. A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por L0, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas. Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixação mais comuns são: cunha, rosca, flange. FIGURA 2.13 - Tipos de fixação. Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova. O comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útil. Sempre que possível um corpo de prova deve ter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se 24 adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas medidas. Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/ R377 enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR - 6152, dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície e ausência de trincas. Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda, figura abaixo. Os ensaios dos corpos de prova soldados normalmente determinam apenas o limite de resistência à tração. Ao efetuar o ensaio de tração de um corpo de prova com solda, tensiona-se simultaneamente dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e metal de solda). Os valores obtidos no ensaio não representam as propriedades nem de um nem de outro material, pois umas são afetadas pelas outras. O limite de resistência à tração também é afetado por esta interação, mas é determinado mesmo assim para finalidades práticas. Para preparar o corpo de prova para o ensaio de tração deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em vários pontos na parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média. Por fim, deve-se traçar as divisões no comprimento útil. Em um corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 mm. FIGURA 2.14 - Preparação de corpo de prova. 27 2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSÃO O ensaio de compressão consiste em submeter uma peça ou corpo de prova a um esforço que tende a encurtá-lo até a ruptura, desta forma, é possível conhecer como os materiais reagem aos esforços ou cargas de compressão. O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características, principalmente quando se trata de materiais frágeis, como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. É também recomendado para produtos acabados, como molas e tubos. F A F F σ = F A FIGURA 2.18 - Esquema da compressão. Não se costuma utilizar ensaios de compressão para os metais, em virtude que a resistência compressão é aproximadamente igual a da tração. Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são submetidos a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do corpo de prova. Do mesmo modo que o ensaio de tração, o ensaio de compressão pode ser executado na máquina universal de ensaios, com a adaptação de duas placas lisas — uma fixa e outra móvel. E entre elas que o corpo de prova é apoiado e mantido firme durante a compressão. As relações matemáticas para a tração valem também para a compressão, isso significa que um corpo submetido a compressão também sofre uma deformação elástica seguido de uma deformação plástica. Nos ensaios de compressão, a lei de Hooke também vale para a fase elástica da deformação, e é possível determinar o módulo de elasticidade para diferentes materiais. 28 2.3.2.1 - Limitações do ensaio de compressão O ensaio de compressão não é muito utilizado para os metais em razão das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numéricos são de difícil verificação, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio de compressão é o atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina de ensaio. a) b) FIGURA 2.19 - Ensaio de compressão. a) normal; b) flambagem. A deformação lateral do corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e da máquina. Para diminuir esse problema, é necessário revestir as faces superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc). Outro problema é a possível ocorrência de flambagem, isto é, encurvamento do corpo de prova. Isso decorre da instabilidade na compressão do metal dúctil. Dependendo das formas de fixação do corpo de prova, há diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a figura acima. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em relação ao diâmetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material, é necessário limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor de seu diâmetro. Em alguns materiais muito dúcteis esta relação pode chegar a 1:1 (um por um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem é o de garantir o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compressão. Deve-se 29 centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforço de compressão se distribua uniformemente. 2.3.2.2 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis Nos materiais dúcteis a compressão vai provocando uma deformação lateral apreciável. Essa deformação lateral prossegue com o ensaio até o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. Em virtude disto é que o ensaio de compressão de materiais dúcteis fornece apenas as propriedades mecânicas referentes à zona elástica. As propriedades mecânicas mais avaliadas por meio do ensaio são: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e módulo de elasticidade. FIGURA 2.20 - Ensaio de compressão em materiais dúcteis. 2.3.2.3 - Ensaio de compressão diametral Para materiais com elevado módulo de elasticidade, que é o caso de muitos materiais metálicos e cerâmicos, a teoria mais conhecida é a teoria das tensões de Hertz ou tensões de contato, amplamente utilizada no dimensionamento de elementos de máquinas, onde temos situações estabelecendo superfícies planas e curvas em contato, pressionadas umas contra outras, resultando um estado triaxial de tensões. Quando isto ocorre, o ponto ou linha de contato passa a ser efetivamente a área de contato, desenvolvendo-se nestas regiões tensões tridimensionais, como, por exemplo, tensões de contato entre uma roda e um trilho, ou entre duas rodas dentadas. A figura abaixo mostra o esquema do método do Ensaio de Compressão Diametral que é baseado nas normas brasileiras ABNT MB-212/58 e NBR-7222/83. 32 2) Considerando que um corpo de prova de aço SAE 1070 tem um diâmetro nominal de 15 mm e a força com que o material se rompeu foi de 16.570 Kgf. Qual é a tensão de tração de ruptura (em MPa) que este aço apresenta? a) Dados: σr = ? D = 15 mm Fr = 7.800 Kgf b) Fórmulas: σ = F A A D = π 2 4 c) Solução: [ ] A D = = ⋅ = π π2 2 4 4 176 625 15 mm mm2, σ = = = F A 16570 Kgf 176,625 mm 93 Kgf mm2 2 ,8 σ = =93 Kgf mm 920,3 MPa2,8 3) Calcule a deformação sofrida por um corpo de prova de 15 cm de comprimento e que após o ensaio de tração apresentou 16 cm de comprimento. a) Dados: lo = 15 cm lf = 16 cm ε = ? b) Fórmulas: ε = −l l l f o o c) Solução: ε = −l l l f o o ε = − = − = ⋅ − l l l f o o 16 15 15 6 67 10 2, 4) Uma liga de alumínio possui um Módulo de Elasticidade Longitudinal de 7.040 Kgf/mm2 e um limite de escoamento de 28 Kgf/mm2. Pede-se: • Qual a carga que pode ser suportado por um fio de 1,74 mm de diâmetro sem que ocorra deformação permanente? 33 a) Dados: σe = 28 Kgf/mm2 D = 1,74 mm Fe = 7.800 Kgf b) Fórmulas: σ = F A A D = π 2 4 c) Solução: ( ) A D = ⋅ = ⋅ = π π2 2 4 4 1,74 mm 2,377 mm2 σ σ= ⇒ = ⋅ = ⋅ F A F A 28 Kgf mm 2,377 mm2 2 F A= ⋅ =σ 66,54 Kgf • Se uma carga de 44 kgf é suportada por um fio de 3,05 mm de diâmetro, qual será a deformação? a) Dados: E = 7.040 Kgf/mm2 ε = ? σ = ? F = 44 Kgf D = 3,05 mm b) Fórmulas: E = σ ε A D = π 2 4 σ = F A σ ε= ⋅ E c) Solução: 34 ( ) A D = = ⋅ = π π2 2 4 4 3,05 mm 7,30 mm2 σ = = = F A 44 Kgf 7,30 mm 6,02 Kgf mm2 2 E E = ⇒ = σ ε ε σ ε σ = = = ⋅ − E 6,02 Kgf mm 7.040 Kgf mm 2 2 8 55 10 4, • Exercícios propostos 1) Explique o comportamento de materiais dúteis e frágeis utilizando diagrama σ x ε. 2) Mostre esquematicamente os estágios na formação taça-cone e explique resumidamente. 3) Por que se deve garantir o paralelismo entre as placas da máquina de ensaio e limitar o comprimento dos corpos de prova nos ensaios de compressão? 4) O que é tenacidade? 5) Por quê se faz ensaios de materiais? 6) Cite 4 tipos de ensaios destrutivos! 7) O que é Módulo de Elasticidade Longitudinal? 8) O Que é limite de escoamento? 9) O que é deformação plástica? 10) Como se mede a tenacidade em um diagrama σ x ε? 11) O que é flambagem? 12) Um aço de médio carbono que apresenta o Módulo de Elasticidade Longitudinal de 21.000 Kgf/mm2 e Tensão de escoamento de 31,5 Kgf/mm2, qual é a máxima deformação que o material pode apresentar obedecendo o regime elástico? Resposta: ε = 0,15% 13) Qual é a tensão limite de resistência à compressão de um material que tem 400 mm2 de área da seção transversal e se rompeu com uma carga de 760 KN? Resposta: σ = 1.900MPa 14) Uma barra de alumínio de possui uma secção transversal quadrada com 60 mm de lado, o seu comprimento é de 0,8m. A carga axial aplicada na barra é de 30 kN. Determine o seu alongamento. Eal = 0,7x10 5 MPa. Resposta: ∆ = 0,095mm 37 FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexão. A tensão fletora é dada pela expressão matemática σ = ± ⋅M c I f , onde: σ é a tensão fletora (tensão normal de compressão ou de tração); Mf é o momento fletor; I é o momento de inércia da secção transversal; c é a distância da linha neutra a fibra mais afastada. O sinal positivo e negativo corresponde as tensões de tração e de compressão respectivamente. Na “linha neutra”, vista sob um plano, a tensão resultante é zero. No caso de flexão pura, como o caso descrito acima, a linha neutra torna a forma de um arco de circunferência em circular plana, onde cada secção infinitesimal da barra está em equilíbrio sob a ação de momentos fletores iguais e opostos, de módulo Mf. a flecha “f ”do arco de circunferência (deflexão da barra) é dada pela expressão matemática: f E I = ⋅ ⋅ ⋅ 1 48 F L , onde “E” é o módulo de elasticidade longitudinal ou módulo de Young, “I ” é o módulo de flexão plana ou momento de inércia, que cada perfil tem seu valor próprio. Quanto maior for o momento de inércia da secção retangular menor será a flexão, para um dado material e um determinado momento fletor. Isto significa que a posição da viga tem grande influência na resistência a flexão. A figura abaixo mostra o caso da flexão plana normal produzida por uma força “F” aplicada na extremidade livre de uma barra de balanço, com uma extremidade engastada. 38 FIGURA 2.26 - Viga em balanço com engaste rígido sendo fletida por uma força F aplicada em sua extremidade. Neste caso, não se tem uma flexão pura, mas uma combinação de flexão e cisalhamento, devido à reação do engaste rígido que, no equilíbrio, equivale a uma força F’, igual e oposta a F, mais um momento binário oposto ao gerado pelo par FF’. Existe ainda um caso de flexão, a flanbagem, muito freqüente e importante no cálculo de estruturas metálicas e concreto armado, que é aquele provocado por uma carga vertical aplicada numa barra vertical, quando esta foge levemente de sua posição axial. O equilíbrio, que inicialmente era conseguido por compressão axial da barra, se rompe quando o esforço aplicado foge ligeiramente da área da secção retangular, produzindo uma flexão crescente e quase que incontrolável. Em primeira deformação e dentro de um campo limitado de deformações, os corpos sólidos reais obedecem à lei de Hooke. As deformações perfeitamente elásticas em geral só ocorrem no início do processo. Com o tempo, o esforço e a deformação atingem valores assintóticos, podendo haver a ruptura do material, a fadiga do mesmo, ou a variação da sua tensão elástica, em que, após a aplicação sucessiva de esforços de tração ou compressão, permanece uma deformação residual; o efeito de esfoliação ou clivagem em placas em determinadas direções e em certos materiais cristalinos, como, por exemplo, a calcita e a mica. No dimensionamento das peças à flexão admitem-se apenas deformações elásticas. A tensão de trabalho é fixada pelo fator de segurança ou pela tensão admissível. A fórmula da tensão é aplicada nas secções onde pode haver ruptura do material, ou seja , nas regiões que se tem momento fletor máximo que produzirá tensões de compressão e de tração máximas, a qual poderá ser superior a tensão de resistência do material. O momento de inércia de uma 39 secção retangular segundo um sistema de eixo carteziano “YZ” é: I y = ⋅a b3 12 (em relação ao eixo Y) e Iz = ⋅b a3 12 (em relação ao eixo Z). Para uma secção circular, o momento de inércia em relação ao eixoY ou Z é: I = ⋅π D4 64 , onde “D” é o diâmetro da secção circular. 2.3.3.2 - Método do ensaio de flexão A resistência à flexão é definida como a tensão máxima de tração na ruptura e é denominado freqüentemente como módulo de ruptura, “MOR” , do inglês “modulus of rupture”. A resistência a flexão é determinada através de fórmulas acima descritas e envolve cálculos de resistência dos materiais para a determinação do momento fletor máximo. Há atualmente dois ensaios empregados: o método de ensaio a três pontos, e o método de ensaio de quatro pontos. As figuras abaixo esquematizam estes métodos. F L Diagrama de momento fletor Distribuição de cargas Para secção retangular abaixo com as dimensões dos lados: MOR = ⋅ ⋅ ⋅ 3 2 F L b a2 b a FIGURA 2.27 - Método de flexão a três pontos. 42 riscado por todos os outros seguintes), seguindo-se a gipsita (2), calcita (3), fluorita (4), apatita (5), ortoclásio (6), quartzo (7), topázio (8), safira (9) e diamante (10). Desse modo, por exemplo, o quartzo risca o ortoclásio e é riscado pelo topázio. O cobre recozido tem dureza Mohs 3, pois ele risca a gipsita e é riscado pela fluorita; a martensita tem dureza Mohs aproximadamente igual a 7, e assim por diante. 1 talco Mg3H2Si4O12 2 gipsita CaSO4 . 2H2O 3 calcita CaCO3 4 fluorita CaF2 5 apatita CaF (PO4)3 6 ortoclásio KAISio4 7 quartzo Sio2 8 topázio A12F2SiO2 9 corinto A12 O3 10 diamante C Tabela de escala de dureza Mohs. Para os metais, essa escala não é conveniente, porque os seus intervalos não são propriamente espaçados para ele, principalmente na região de altas durezas e a maioria dos metais fica entre as durezas Mohs 4 e 8, sendo que pequenas diferenças de dureza não são precisamente acusadas por esse método. Martens (1.890) definiu dureza por risco como a carga em gramas-força sob a qual um diamante de ângulo de 90º produziria um risco de 0,01 mm de largura numa material qualquer. Hanpkins (1.923) alterou o ângulo acima para uma forma em V com ângulo podendo variar entre 72º e 90º e o modo de medir a dureza, como sendo o quociente entre a carga menos uma constante que dependeria do ângulo e o quadrado da largura obtida menos esses valores medidos em gramas-força e milímetros. Bergsman (1.951) introduziu um outro tipo de dureza por risco, que mede a profundidade ou mesmo a largura de um risco feito com uma determinada carga aplicada num diamante sobre um material de dureza desconhecida. A medida dessa profundidade seria a dureza do material, Um outro tipo semelhante é a 43 microdureza Bierbaum por risco feito com um diamante de formato igual a um canto de cubo, com um ângulo de contato de cerca de 35º e com uma carga igual a 3 gramas-força na superfície polida e atacada de um metal. Mede-se por meio de um microscópio a dureza, lendo-se a largura do risco, conforme a fórmula K = 104 / λ², onde K é a dureza Bierbaum e λ é a largura medida em mícrons. Esses métodos seriam úteis para a medição da dureza relativa de microconstituintes de uma liga metálica, mas não são métodos de medida precisa ou de boa reprodução, sendo mais usados no ramo da Mineralogia. Os dois primeiros tipos de dureza (por penetração e por choque) são mais usados no ramos da Metalurgia e da Mecânica, sendo que a dureza por penetração é a mais utilizada e citada nas especificações técnicas. Serão vistos com mais detalhes as durezas por penetração Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop e Meyer e a dureza por choque Shore (escleroscópica). 2.3.4.1 - Dureza Brinell A dureza por penetração, proposta por J. A. Brinell em 1.900, denominada dureza Brinell e simbolizada por HB, é o tipo de dureza mais usado até os dias de hoje na Engenharia. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro D, sobre a superfície plana, polida e limpa de um metal através de uma carga Q durante um tempo t. Essa compressão provocará uma impressão permanente no metal com o formato de uma calota esférica, com um diâmetro d, o qual é medido por intermédio de um micrômetro óptico (microscópio ou lupa graduados), depois de removida a carga. O valor de d deve ser tomado como média de duas leituras feitas a 90º uma da outra. A dureza Brinell é definida, em N/mm² (ou kgf/mm²), como o quociente entre a carga aplicada pela área de contato (área superficial), S, a qual é relacionada com os valores D e d, conforme a expressão: 44 )( 2 . 22 dDDD Q pD Q S Q HB C −− === ππ Sendo p a profundidade da impressão. Inicialmente J. A. Brinell propôs uma carga, Q, igual a 3.000 kgf e uma esfera de aço com 10 mm de diâmetro e as tabelas existentes, que fornecem diretamente a dureza Brinell calculada pela equação acima para cada valor de d, são na maioria baseadas nesses dois valores de Q e D. Entretanto, para metais mais moles, a carga pode ser diminuída para evitar uma impressão muito grande ou profunda e, para peças muito pequenas, pode-se também diminuir o valor de D, a fim de que a impressão não fique muito perto das bordas do corpo de prova. Essa alterações em Q e em D devem ser feitas obedecendo-se um certo critério, que deverão obedecer aos métodos de ensaio existentes. Para metais excessivamente duros (HB maior que 500kgf/mm²), substitui-se a esfera de aço por esfera carboneto de tungstênio para minimizar a distorção da esfera, o que acarretaria em valores falsos para d e, portanto, para HB. O tempo, t, é geralmente de 30 segundos, conforme as normas, mas poder ser aumentado para até 60 segundos, como no caso de metais de baixo ponto de fusão, como por exemplo o chumbo e suas ligas (HB<60), onde pode ocorrer o fenômeno de fluência (creep) durante a aplicação da carga onde um tempo curto poderia não ser suficiente para dar uma calota esférica que realmente forneça uma indicação correta da verdadeira deformação plástica do metal. Há normas, entretanto, que exigem apenas um tempo de 15 ou 10 segundos, em vez dos 30 segundos normais, como por exemplo as normas inglesas da British Standards para metais duros (HB>300). A unidade N/mm² ou kgf/mm², que deveria ser sempre colocada após o valor de HB, pode ser omitida, uma vez que a dureza Brinell não é um conceito físico satisfatório, porque a equação que fornece a dureza Brinell não leva em consideração o valor médio da pressão sobre toda a superfície da impressão, que é o que realmente deveria ser observado. A localização de uma impressão Brinell deve ser tal que mantenha um afastamento das bordas do corpo de prova de no mínimo duas vezes e meia o diâmetro, d, obtido, para evitar, em
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