Prof. Luis Dantas

II-MATERIAISII.2. Fatores de influência na seleção de materiais para confecção de tubosII.3. Especificação de material para tubos de aço  II.3.1. Aços Carbono II.3.2. Aços Ligados II.3.3. Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)II.4. Principais propriedades dos materiais para os tubos II.4.1. Tubos fabricados em Aço carbono II.4.2. Tubos fabricados em aço inoxidável II.4.3. Tubos fabricados em ferro fundidoII.5. Recomendações e normas aplicadas a tubos de aço em geral II.5.1.Recomendações para os tubos fabricados em aço- liga sem costura II.5.2.Recomendações para os tubos mecânicos - sem costura II.5.3.Recomendações para os tubos de aço - carbono tipo com costura, preto e galvanizados II.5.4.Recomendações para os tubos eletrodutos tipo galvanizadosII.6. Principais normas de aplicação de tubos existentes no mercado II.6.1. Normas utilizadas para fabricação de tubos para troca térmicaII.7. Exercícios

FATORES DE INFLUÊNCIA NA SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA CONFECÇÃO DE

TUBOSTipo de fluido -> É um dos fatores decisivos e de grande importância por ser o elemento que, diretamente, agredirá o material.

Resistência ao escoamento do fluido -> É também um fator de relevância, por se tratar de uma variável que proporcionará à tubulação um incremento de carga extra, no que se refere à variável pressão.

Fator Estrutural -> Estruturalmente, a tubulação deverá ser suficientemente resistente para suportar o peso do fluido. Assim sendo, não basta simplesmente o tubo estar dimensionado à carga do fluido, mas, também às cargas externas e aleatórias.

Custo e facilidade para instalação -> São fatores de grande significado, tecnicamente decisivos em um projeto.

Durabilidade -> Garante longo tempo de vida útil de uma tubulação.

Disponibilidade do material -> A disponibilidade do material garante a viabilidade do projeto.

Condições de temperatura e de pressão -> A temperatura de operação é

também fator decisivo para definição do tipo de material que será utilizado na

fabricação de tubo. Efeitos provenientes da temperatura de operação podem ser:

Fluência (deformação lenta e progressiva ao longo do tempo quando

submetido ao esforço de tração sob alta temperatura) ocorre em função da

temperatura.

Alteração do módulo de elasticidade (Módulo de Young), diminui com o

aumento da temperatura. Essa diminuição é pouco acentuada no intervalo de

0 a 250 C e mais acentuada para temperaturas superiores a 250 C.

Diminuição do limite de resistência. O limite de resistência diminui com o

aumento da temperatura de um modo geral (para T > 200 C). O limite de

resistência deverá ser tomado na curva característica (temperatura x

resistência) de cada material.

FATORES DE INFLUÊNCIA NA SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA CONFECÇÃO DE TUBOS

(cont.)

LIMITE DE RESISTÊNCIA X TEMPERATURA

Resistência à corrosão -> Define-se como corrosão a deterioração quimica ou eletroquímica sofrida por um material em consequência da ação química ou eletroquímica do meio.

A corrosão eletroquímica caracterizada pelo transporte de cargas elétricas por meio de um eletrólito em um meio favorável.

A corrosão química é devida ao ataque de produtos químicos sobre os materiais metálicos, provocando a sua oxidação.

Para que se inicie o processo da corrosão, é necessário que o sistema seja constituído dos três componentes listados a seguir. A falta de pelo menos um dos componentes impede o processo de corrosão.

Anodo-catodo: o componente anodo-catodo é constituído de duas peças metálicas de materiais diferentes, do mesmo material, ou ainda, duas regiões distintas da mesma peça metálica.

Eletrólito: qualquer condutor elétrico tal como umidade, soluções aquosas ácidas ou alcalinas.

Circuito metálico: é a união do anodo ao catodo. A diferença de potencial entre o anodo e o catodo pode se originar de inúmeras causas, tais como: metais diferentes, ligas metálicas diferentes, diferenças entre partes deformadas a frio, diferença entre estados de tensões, diferenças de tratamento térmico, irregularidades microscópicas e pode disparar o processo de oxidação do material.

FATORES DE INFLUÊNCIA NA SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA CONFECÇÃO DE TUBOS

(cont.)

ESQUEMAS DE UMA PILHA GALVÂNICA

CATODO ANODO

COBRE

ZINCO

Cu2+ + 2e- --> Cu0 Zn0 --> Zn2+ + 2e-

__________________

Zn0 + Cu2+ --> Zn2+ + Cu0

ELETRODO E0 (VOLTS)

Mg / Mg++ + 2,37

Al / Al+3 + 1,66

Zn / Zn++ + 0,76

Fe / Fe++ + 0,44

Sn / Sn++ + 0,14

Pb /Pb++ + 0,13

H / H+ ZERO

Cu / Cu+ - 0,34

O2 / 2OH- - 0,40

Ag / Ag+ - 0,80

Cl2 / 2Cl- - 1,36

Série eletroquímica quantitativa

Uma série eletroquímica pode ser utilizada para prever se uma reação redox terá ou não lugar.

Assim:• Um agente oxidante pode oxidar um redutor situado

abaixo dele na série eletroquímica, transformando-se cada um no respectivo par conjugado.

• Um agente redutor reduz um agente oxidante situado acima dele na série eletroquímica, transformando-se cada um no respectivo par conjugado.

• Um oxidante não tem ação sobre um redutor colocado acima dele e um redutor não tem ação sobre um oxidante colocado abaixo dele na série eletroquímica.

Previsão das reações REDOX

EXEMPLO DE APLICAÇÃO DA TABELA DE

POTENCIAIS NA CORROSÃO

Depois de construir um esquema que represente

a pilha

Fe /Fe++ // Zn / Zn++, responda as seguintes

questões:

a) Indique no esquema construído a movimentação

de cargas na pilha.

b) Quais serão as reações da pilha?

c) Qual o potencial da pilha?

RESOLUÇÃO: Esquema da pilha

Fe++

Fe++

Fe++

Fe++

Fe++

Fe

Zn++

Zn++

Zn++

Zn++

Zn++

Zn

Fe / Fe++ // Zn / Zn++

i

ee

e

ponte salina

Eo Zn = - 0,76 V

ÂNODOEo Fe = - 0,44 V

CÁTODO

Reações:

Reação Anódica: Zn Zn++ + 2e

Reação Catódica: Fe++ + 2e Fe

Potencial da pilha:

EPILHA = ECATODO - EANODO

EPILHA = Eo Fe - Eo Zn

EPILHA = ( -0,44) - ( -0,76) = 0,32 V.

Sér

ie g

alvâ

nic

a d

e d

iver

sos

met

ais

e su

as li

gas

(+ ANÓDICA) LIGAS DE MAGNÉSIO

  ZINCO

  ALUMÍNIO

  CÁDMIO

  AÇO-CARBONO

  FERRO FUNDIDO

  AÇO-CROMO (ATIVA)

  AÇO-NÍQUEL

  AÇO-NÍQUEL-CROMO (ATIVA)

  SOLDA ESTANHO-CHUMBO

  CHUMBO

  ESTANHO

  NÍQUEL

  LATÕES

  COBRE

  BRONZES

  NÍQUEL-PRATA

  COBRE-NÍQUEL

  NÍQUEL-CROMO (PASSIVA)

  AÇO-CROMO (PASSIVA)

  AÇO-NÍQUEL-CROMO (PASSIVA)

  PRATA

(+ CÁTODICA) Grafita

FORMAS MAIS COMUNS DE CORROSÃO

VISÃO GERAL DE COMO A CORROSÃO SE APRESENTA

                                                                                              

Corrosão por Par Galvânico em

Feixe - Espelho de Permutador de

Calor

Um ambiente muito mais agressivo pode se

desenvolver e causar a corrosão localizada no

interior de uma fresta.

Frestas acontecem, por exemplo, em

parafusos, pontos de solda descontínua e

rebites, mas também podem ser criadas por

depósitos de sujeira, produtos de corrosão,

riscos em pintura, etc.

                                                                                                                                            

      

Corrosão por Fresta em Parafuso-Porca

Uniforme: a corrosão se processa

em toda a extensão da superfície,

ocorrendo perda uniforme de

espessura. É chamadapor alguns, de

corrosão

generalizada.

O ataque uniformemente distribuído por

grandes regiões da superfície metálica

é certamente a forma mais comum

de corrosão. Ela se distribui, em geral,

por grandes áreas da superfície

metálica e a velocidade com que

progride, por ser uniforme, pode ser

estimada.

                                                                

                          

Corrosão Generalizada em Rotor de Bomba

Submersa

Por placas: a corrosão se

localiza em regiões da superfície

metálica e não em toda sua

extensão,formando

placas com

escavaçõe

s.

Corrosão por placas em aço carbono de costado de tanque

Alveolar: a corrosão se processa na

superfície metálica produzindo sulcos ou

escavações semelhantes a alvéolos

apresentando fundo arredondado e

profundidade geralmente menor

que o seu

diâmetro.

                                                        

                 

Corrosão Alveolar

Generalizada

Puntiforme: a corrosão se processa em

pontos ou em pequenas áreas

localizadas na superfície metálica

produzindo pites, que são cavidades que

apresentam o fundo em forma angulosa

e profundidade geralmente maior que o

seu diâmetro. É chamada também

corrosão por pite.

                                                                                                                                       

     

Corrosão por Pite em Aço

Inox

                                                        

          

Corrosão por Pite

Intergranular: a corrosão se processa

entre os grãos da rede cristalina do

material metálico, o qual perde suas

propriedades mecânicas e pode

fraturar quando solicitado por esforços

mecânicos, tendo-se então a

corrosão sob

tensão fraturante.

Corrosão intergranular ou intercristalina

Intragranular: a corrosão se

processa nos grãos da rede cristalina

do material metálico, o qual,

perdendo suas propriedades

mecânicas, poderá fraturar à menor

solicitação mecânica, tendo-se também

a corrosão sob

tensão

fraturante.

Corrosão intragranular ou transcristalinaem aço sob cloreto e temperatura alta

Filiforme: a corrosão se processa sob a forma de finos filamentos, que se propagam em diferentes direções. Ocorre geralmente em superfícies metálicas revestidas com tintas ou com metais, ocasionando o deslocamento do revestimento. Ocorre mais freqüentemente quando a umidade relativa do ar é maior que85% e em revestimentos mais permeáveis à penetração de oxigênio e água ou apresentando falhas.

Esfoliação: a corrosão se processa em

diferentes camadas e o produto de

corrosão, formado entre a estrutura de

grãos alongados, separa as camadas

ocasionando o inchamento do material

metálico. Esta forma de corrosão tem sido

observada em ligas de alumínio das

séries: 2.000 (Al, Cu, Mg),

5.000 (Al, Mg) e

7.000 (Al, Zn, Cu, Mg).

Liga de alumínio com esfoliação em área de fresta sujeita a estagnação em solução de NaCl

Corrosão grafítica: a corrosão se

processa no ferro fundido cinzento em

temperatura ambiente e o ferro

metálico é convertido em produtos de

corrosão, restando a grafite intacta.

Observa-se que a área corroída fica com

aspecto escuro, característico da

grafite, e esta pode ser facilmente

retirada com espátula. Atritando-se esta

região com papel branco, observa-se o

risco preto devido à grafite.

Corrosão grafítica do ferro fundido, notando-se o aspecto escuro da área corroída.

Dezincificação: é a corrosão que ocorre

em ligas de cobre-zinco, observando-se o

aparecimento de regiões com coloração

avermelhada contrastando com a

característica coloração amarela dos

latões. A dezincificação ocorre em regiões

com depósito de gordura e absorção de

sal, NaCl.

A dezincificação e a corrosão

grafítica são exemplos de corrosão

seletiva, pois tem-se a corrosão

preferencial de zinco e ferro,

respectivamente.

Dezincificacão

Empolamento pelo hidrogênio: o

hidrogênio atômico, como tem

pequeno volume atômico, penetra nos

metais e difunde-se rapidamente;

em regiões com descontinuidades,

como inclusões e vazios, ele se

transforma emhidrogênio molecular, H2, exercendo pressão e originando a formação de bolhas.

Tubulação com empolamento pelo hidrogênio,ocasionado por H2S e água.

                                                                    

Fissuramento pelo Hidrogênio

Em torno da solda: forma de corrosão

que se observa em torno de cordão de

solda. Ocorre em aços inoxidáveis não-

estabilizados ou com teores de carbono

maiores que 0,03%, e a

corrosão se processa

intergranularmente.

                                     

                           

Corrosão em Solda em Tubo de Aço Inox

A especificação um material de fabricação de um tubo é

tarefa fundamental.

O projetista não é responsável direto, mas é importante para

ele deter conhecimento de fatores e procedimentos.

Isto certamente agregará ao seu saber condições que o

destacará dentro da sua função de projetista de tubulação.

É importante, portanto, estar familiarizado com as diferentes

características e propriedades estruturais dos materiais,

bem como com as técnicas de processamento dos

materiais, maior será a sua habilidade e confiança para fazer a

seleção mais sensata desses critérios.

ESPECIFICAÇÃO DE MATERIAL PARA TUBOS DE AÇO

A maior quantidade de aço consumida pertence à categoria dos aços-carbono. Isto se deve ao baixo custo, em relação aos aços ligados e à ampla gama de propriedades.

Pode-se estabelecer a seguinte subdivisão dos aços-carbono para fins de sua aplicação:

a) Baixo carbono (abaixo de 0,3%) - Aplicado em situações que exigem ductilidade elevada, por exemplo, chapas para estampagem, tubos, fios para arames lisos e farpados, ou telas. Neste caso, o estado de fornecimento pode ser laminado a quente, recozido ou normalizado. Pode ser aplicado em situações que envolvem exigências quanto à soldabilidade, pois o baixo carbono é necessário paraevitar formação de martensita que ocorre no resfriamento subsequente à soldagem.

Os aços de baixo carbono, quando combinados com elementos de liga e cementados, são aplicados quando se necessita combinar resistência ao desgaste (dureza superficial) com tenacidade (no núcleo), tais como eixos, engrenagens, pinos, ferramentas de impacto. Ex.: AÇOS 8620, 4320.

AÇOS CARBONO

b) Aços de médio carbono (entre 0,3 e 0,5%C) - São aplicados em

produtos forjados, pois possuem ductilidade a quente (para

forjamento), associado à média resistência a frio no estado forjado

(ferrítico-perlítico). Quando combinados com elementos de liga, são

utilizados em situações que exijam alta resistência (obtida

mediante têmpera) mantendo ainda alguma ductilidade. A

temperabilidade é obtida mediante emprego de elementos de liga. Ex:

eixos e engrenagens de caminhão. Aço 4340, 8640.

AÇOS CARBONO

c) Aços de alto teor de C(acima de 0,5% C) - São utilizados nos

casos em que se exigem elevados limites de escoamento, tais como

molas e vergalhões de concreto. O alto limite de escoamento é obtido

mediante encruamento ou, se na presença de elementos de liga,

mediante têmpera. Quando combinados com elementos de liga,

também são utilizados para fins de obtenção de dureza elevada, através

de carbetos primários (VC, Mo2C, WC) como no caso de aços

ferramentas.

AÇOS CARBONO

O uso de elementos de liga geralmente é feito com as seguintes

finalidades:

Aumentar a profundidade de tempera (temperabilidade);

Aumentar a resistência ao revenido (isto é, evitar o amolecimento

entre 300°C e 550°C);

Introduzir propriedades especiais tais como:

Resistência à corrosão; são os aços inoxidáveis.

Resistência ao desgaste; são os aços Hadfield.

Resistência a quente; são os aços-ferramenta (rápidos).

AÇOS LIGADOS

Os aços ligados são classificados em três categorias:

Aços de baixa liga -> São aços cuja soma dos elementos de liga é

inferior a 5% e têm a finalidade de aumentar a temperabilidade e a

resistência ao revenido. Os elementos típicos são: Cr, Mo, Ni, Mn e Si.

São aplicados para os seguintes fins:

Aumentar muito a temperabilidade: aplicado em peças grandes que

devem ter alta resistência no núcleo.

Facilitar a transição (atenuar a queda de dureza) entre o núcleo e a

superfície e aço cementado, visando evitar descascamento.

Elevar a dureza de camadas nitretadas pela formação de nitretos de

alumínio ou cromo.

AÇOS LIGADOS

AÇOS LIGADOS

Aços de média liga -> São aqueles em que o somatório dos elementos de

liga esteja entre 5% e 10%. São aplicados em situações que envolvem elevada

resistência mecânica em temperaturas elevadas, em torno de 500°C. Tais como

os aços para trabalho a quente (matrizes). Exemplo deste tipo de aço é:

Aços tipo H. São aços com a seguinte composição química: (0,3%C;

5%Cr; 1,5%Mo; 1%Si). Há ainda casos onde se exige resistência ao

impacto associada com elevada dureza, são os aços ferramentas para

trabalho a frio temperáveis ao ar. Dessa forma, tais aços possuem elevada

temperabilidade sendo aplicáveis em:

Matrizes de recorte

Estampagem;

Lâminas de tesouras.

Aços de alta liga -> São aqueles em que o somatório dos elementos

de liga seja > 10%. São aços que podem ser aplicados para diversas

finalidades, em que haja:

Elevada resistência à oxidação (aços inoxidáveis, %Cr>12%).

Elevada resistência mecânica e ao desgaste (aços D6: 2%C;

0,3%Mn; 0,85%Si; 12%Cr; 0,75%W) sendo aplicáveis em matrizes

para forjamento e estampagem.

AÇOS LIGADOS

São identificados como aços cujas normas AISI-SAE não os classificam

como aços ligados. Alguns desses aços são:

•Aço 4340; Aço 8620 e Aço 4320.

Apesar de conterem elementos de liga adicionados para fins de obtenção de

resistência mecânica e resistência à corrosão atmosférica, superiores aos aços

de baixo carbono, os aços ARBL apresentam resistência entre 300 e 700 Mpa,

tendo sido desenvolvidos para elevar a relação entre resistência e peso,

visando à aplicação em estruturas móveis. A soma de elementos de liga

geralmente não ultrapassa o percentual de 2%, e o teor de carbono situa-se

abaixo de 0,3%.

AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL)

A escolha de um material para determinada aplicação deve-se

às propriedades que ele possui. Por exemplo: os aços-carbono

possuem baixo custo e elevada resistência mecânica, embora

sejam vulneráveis à corrosão.

Já os materiais plásticos, devidamente selecionados, possuem

elevada resistência química a determinadas substâncias, mas sua

resistência mecânica é inferior ao aço carbono.

Além da propriedade mencionada, podemos ainda listar diversas

outras propriedades qualitativas e quantitativas, que devem ser

levadas em conta para selecionarmos corretamente um ou mais

materiais a serem utilizados.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS PARA OS TUBOS

PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

Propriedades Definição

Resistência mecânicaPropriedade que permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como tração e a compressão.

ElasticidadeCapacidade de o material se deformar quando submetido a um esforço, e voltar à forma original em se retirando este esforço.

PlasticidadeCapacidade de o material se deformar quando submetido a um esforço, e manter uma parcela da deformação quando retirado o esforço.

Ductilidade Capacidade de o material se deformar plasticamente sem romper-se

Tenacidade Quantidade de energia necessária para romper um material.

Dureza Resistência do material à penetração, à deformação plástica e ao desgaste.

Fragilidade Baixa resistência aos choques.

Densidade Quantidade de matéria alocada dentro de um volume específico.

Ponto de fusão Temperatura na qual o material passa do estado sólido para o estado líquido.

Ponto de ebulição Temperatura na qual o material passa do estado líquido para o estado gasoso

Dilatação térmica Variação dimensional de um material devido a uma variação de temperatura.

Condutibilidade térmica Capacidade de o material conduzir calor.

Condutibilidade elétrica Capacidade de o material conduzir a eletricidade.

Resistividade Resistência do material à passagem de corrente elétrica

Resistência à corrosão Capacidade de o material resistir à deformação causada pelo meio no qual está inserido

DUREZA MATERIAIS

BRINELL METAIS

ROCKWELL METAIS

VICKERS METAIS, CERÂMICAS

MEYER METAIS

KNOOP METAIS, CERÂMICAS

SHORE POLÍMEROS, ELASTÔMEROS, BORRACHAS

BARCOL ALUMÍNIO, BORRACHAS, COURO, RESINAS

IRHD BORRACHAS

MEDIDAS DE DUREZA

ENSAIO ROCKWELLPASSOS

ENSAIO ROCKWELLLEITURA FINAL

HR = Valor da dureza ROCKWELL

E = constante que depende do formato do endentador:

• 100 (diamante)• 130 (esfera de aço)

e = Aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga maior F1 medido

em unidades de 0,002 mm.

F0  = pré-carga em kgf, F1 = carga em kgf, F = carga total em kgf

Cone de diamante ou esfera de aço endurecido. O endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com uma pré-carga F0 , usualmente de 10kgf. Quando o

equilíbrio é atingido, um dispositivo segue os movimentos do endentador que responde às variações da profundidade de penetração, é ajustado para a posição zero.

Com a pré-carga sempre mantida, uma segunda carga é introduzida, aumentando a penetração. Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida. A remoção da carga provoca uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade da penetração..

Fo : 10 kgf

Vantagens e Desvantagens

As Vantagens do teste Rockwell incluem a medida direta do valor

da dureza e a rapidez do teste. Além disto o teste é não

destrutivo, isto é, em geral a peça pode ser utilizada depois da

medida.

Entre as desvantagens estão a multiplicidade de escalas não

relacionadas e os possíveis efeitos da mesa usada para suporte do

corpo de prova (experimente colocar uma folha de papel fino sob um

bloco de teste e observe o efeito na medição da dureza). Os testes

de Vickers e Brinell não são sensíveis a este efeito.

Cuidados especiais

As peças do material testado devem estar limpas e a área da região

do ponto de medida deve ser lisa.

ENSAIO ROCKWELLVantagens e Desvantagens

ABNTNBRNM146-1 (1998) Materiais metálicos - Dureza Rockwell -Medição da dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G, H e K) e Rockwell superfícial (escalas 15N, 30N, 45N, 15T, 30 T e 45 T) e calibração de equipamento.ASTME18-05e1 Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials.ISOISO 6508-1:1999 Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). ISO 6508-2:1999 Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 2: Verification and calibration of testing machines (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T). ISO 6508-3:1999 Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 3: Calibration of reference blocks (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO 3738-1and 2:1982 Hardmetals - Rockwell hardness test (scale A) - Part 1: Test method Preparation and calibration of standard test blocks ; Part2 -Preparation and calibration of standard test blocks.

PRINCIPAIS NORMAS PARA O ENSAIO ROCKWELL

ENSAIO VICKERSPASSOS

ENSAIO VICKERSLEITURA FINAL

•F= Carga em kgf•d = Média aritmética entre as duas diagonais, d1 e d2 em mm

•HV = DUREZA VICKERS

Endentador de diamante, na forma de uma pirâmide reta de base quadrada e um ângulo de 1360 entre as faces opostas , utilizando uma carga de 1 a 100 kgf.

A carga plena é aplicada entre10 e 15s. As duas, d1 e

d2 são medidas usando-se um microscópio. A seguir

calcula-se a área da superfície inclinada da endentação. A dureza Vickers é o quociente da carga pela área.

2

1362

2

Sen

dA

PRINCIPAIS NORMAS PARA O ENSAIO VICKERS

ABNT

NBRNM188-(05/1999) Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 1:

Medição da dureza Vickers - Parte 2: Calibração de máquinas de medir

dureza Vickers - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados

na calibração de máquinas de medir dureza Vickers.

ASTM

C1327-03 Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of

Advanced Ceramics E92-82(2003)e2 Standard Test Method for Vickers

Hardness of Metallic Materials. revisão da E92-82(2003)e2 : WK7683

Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials.

ISO

ISO 6507 (1997) Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1:

Test method - Part 2: Verification of testing machines - Part 3:

Calibration of reference blocks.

Diferentes ajustes de cargas resultam praticamente no mesmo valor

de dureza para materiais uniformes. Isto é muito conveniente pois

evita a mudança arbitrária de escala com outros métodos de medição

de dureza.

Leituras extremamente precisas podem ser obtidas no teste

Vickers, além da vantagem de utilizar apenas um tipo de endentador

para todos os tipos de metais e superfícies. O teste é aplicável a uma

grande gama de materiais, dos mais moles aos mais duros, com

ampla faixa de ajuste de cargas.

A única desvantagem do teste é a máquina de medição, que

é de maior porte e mais cara que as correspondentes para

os teste Brinell e Rockwell.

ENSAIO VICKERSVantagens e Desvantagens

ENSAIO BRINELLPASSOS

ENSAIO BRINELLLEITURA FINAL

D = diâmetro da esfera e Di é o

diâmetro da impressão.

O uso de uma tabela de Número de Dureza Brinell (HBN) pode simplificar a determinação da dureza.

Ex.: "75 HB 10/500/30", significa que o valor 75 foi obtido para a dureza (HB= Hardness Brinell) = 75, usando uma esfera de aço de 10mm de diâmetro, com um carga de 500 kgf, aplicados durante 30 segundos.

Em testes com metais muito duros, a esfera de aço é substituída por uma esfera de carboneto de tungstênio.

(O diâmetro da impressão é a média de duas leituras tomadas em ângulo reto.)

PRINCIPAIS NORMAS PARA O ENSAIO BRINELL

ABNT

NBRNM187 (05/1999) Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte

1: Medição da dureza Brinell - Parte 2: Calibração de máquinas de

medir dureza Brinell - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem

usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell

ASTM

E10-01e1 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic

Materials

WK3044 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic

Materials

ISO

ISO 6506:1999 Metallic materials - Brinell hardness test - Part 1:

Test method -Part 2: Verification and calibration of testing

machines- Part 3: Calibration of reference blocks

Comparada a outros métodos, a esfera do teste Brinell

provoca a endentação mais profunda e mais larga . Com

isto a dureza medida no teste abrange uma porção maior de

material, resultando numa média de medição mais precisa,

tendo em conta possíveis estruturas policristalinas e

heterogeneidades do material.

Este método é o melhor para a medição da dureza

macrodureza de um material, especialmente para materiais

com estruturas heterogêneas.

ENSAIO BRINELLVantagens e Desvantagens

São tubos fabricados com liga ferro-carbono que pode conter de 0,008% até

cerca de 2,0% de carbono (C), além de certos elementos residuais, como o

manganês (Mn), o silício (Si), o fósforo (P) e o enxofre (S) resultantes dos

processos de fabricação. As principais características do aço carbono são eles:

Baixo custo;

Excelentes qualidades mecânicas;

Facilidade de soldar e de conformar.

TUBOS FABRICADOS EM AÇO CARBONO

Norma Graus

DiâmetrosProcesso de fabricação Direção

da solda Aplicações

Min. MaX.Com

costuraSem

costura

API5L A; B e A25. 1/8" 64" SIM SIM LongOleodutos, gasodutos e

outras aplicações industriais.

API 5LX

X42; X40 e X52. X55; X60; X65;

X70.2" 64" SIM SIM Long

Tubos de alta resistência para oleodutos, gasodutos,

minerodutos, processos.

API 5LS

A; B; X42; X46; X52; X56; X60;

5" 80" SIM NAO Helic.Oleodutos, gasodutos e

outras aplicações industriais.

API5A J55; K55. 5" 20" SIM SIM Long.Tubos para revestimento

de poços de petróleo

ASTM A106

A; B e C 1/8" 24" NAO SIM

Tubos de alta qualidade para aplicações gerais e

serviços de alta temperatura

ASTM A120

1/8" 16" SIM SIM Long.Tubos de baixa qualidade para

aplicações gerais.

ASTM A134

ASTM A283 A, B, C, D ASTM A285

A, B, C16" SIM NAO

Long. e Helic

Aplicações gerais em água, óleo e gás.

CARACTERÍSTICAS DOS TUBOS DE AÇO CARBONO

Os tubos fabricados em aço inoxidável são os produtos de fabricação

mecânica, denominados "tubos de aço inoxidável".

São utilizados em praticamente todas as indústrias de processo, tais

quais os tubos de aço-carbono, além de terem alto emprego na

fabricação de componentes de veículos e aplicações estruturais

diversas.

Os tubos de aço inox, como são mais conhecidos, podem se

apresentar ao mercado consumidor de duas formas:

COM COSTURA E SEM COSTURA.

TUBOS FABRICADOS EM AÇO INOXIDÁVEL

•O termo "com costura" faz referência ao produto tubular obtido a partir

da aplicação de um processo de soldagem para a união de duas bordas.

No caso dos tubos com costura, as matérias-primas básicas são

tiras inoxidáveis, provenientes de bobinas de lâminas soldadas a frio

ou a quente. Aplicadas na largura adequada ao diâmetro final do tubo.

Essas tiras são então encaminhadas para uma máquina formadora e

passarão pelas etapas produtivas de formação, que são as seguintes:

•Soldagem;

•Acabamento;

•Calibração;

•Corte.

COM COSTURA

A soldagem para tubos com costura, em aços inoxidáveis, ocorre

principalmente por processo TIG sem metal de adição, podendo se

aplicar também o processo ERW (Eletric Resistance Welding), plasma

ou laser.

Após as etapas descritas, a maioria das normas aplicadas exige um

tratamento térmico de solubilização, o qual pode ser realizado na

própria máquina formadora ou em forno contínuo fora da linha de

formação e, a seguir, o tubo passará pela etapa de decapagem e

passivação.

SOLDAGEM PARA TUBOS COM COSTURA

Os testes realizados durante a fabricação de tubos inoxidáveis com

costura, os quais variam de acordo com as exigências de normas.

Destacam-se os seguintes:

Ensaio de Eddy Current;

Ensaio hidrostático;

Ensaio pneumático;

Ensaios mecânicos;

Ensaios de corrosão.

TESTES SÃO REALIZADOS DURANTE A FABRICAÇÃO DE TUBOS

Embora por algumas décadas, objeções técnicas tenham sido

colocadas devido à presença de um cordão de solda longitudinal ao

tubo, hoje em dia, devido aos avanços tecnológicos observados nos

processos de fabricação, os tubos com costura representam a grande

maioria do consumo mundial de tubos inoxidáveis. Dentre as

vantagens apresentadas pelos tubos com costura, destacam-se:

Menores custos

Maior disponibilidade de produto no mercado

Menor tempo de manufatura do produto

Maior variedade de diâmetros e espessuras de parede

disponíveis

Tolerâncias dimensionais mais estreitas

Obtenção de tubos com diâmetros elevados

Melhor acabamento superficial do tubo, portanto maior

facilidade em se obter assepsia.

VANTAGENS APRESENTADAS PELOS TUBOS COM COSTURA

Norma Graus Diâmetros

Processo de Fabricação

DireçãoAplicações

daMin. Max. Com solda

costura ASTM TP304; TP304L; Tubos para caldeiras,

A 249 TP304H; TP310S; 3/4" 6" Sim Long. sobre-aquecedores,

TP316; TP316L; trocadores de calor e

P317L;TP321;TP347 condensadores.

ASTM TP304; TP304L; Long. Tubos para aplicações

A 270 TP316; TP316L 1" 4" Sim em indústrias

alimentícias e

farmacêuticas

CARACTERÍSTICAS DOS AÇOS INOX ASTM SÉRIES A 249; A 269; A 270 E A 312

Tubos de aço inoxidável “sem costura”, são obtidos a

partir de uma barra maciça, conhecida como tarugo, que será

submetido a um processo de extrusão a quente, e, por meio

de processo de redução a frio, denominado "pilgering",

seguido de trefilação a frio, o tubo alcança as suas dimensões

finais.

TUBOS DE AÇO INOXIDÁVEL SEM COSTURA

Os tubos fabricados em ferro fundido são passam por processos de

fundição e centrifugação. São pouco resistentes, mas seu custo é baixo.

São usados para água, gás, água salgada e esgoto, em serviços de

baixa pressão, e temperatura ambiente e sem grandes esforços mecânicos.

Apresentam ótima resistência à corrosão do solo.

São padronizados pelo diâmetro externo de 2" a 48" com as

extremidades lisas, flange integral ou ponta e bolsa. Seguem as normas EB-43

e P-EB-137 DA ABNT e são testados para pressões de até 3 Mpa. A adição de

Si, Cr ou Ni ao ferro fundido nodular aumenta a resistência mecânica.

TUBOS FABRICADOS EM FERRO FUNDIDO

Tubos de aço carbono com costura, pretos e galvanizados são produzidos segundo as normas pertinentes ao trabalho a que se propõem a executar. São as seguintes as normas:ASTM-A-120: - para condução de fluidos diversos e outros fins. São tubos com costura fabricados de aço de baixo carbono, sem especificação de análise. Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades lisas, biseladas ou roscadas com ou sem luva, em comprimentos de 4 a 8 metros.ASTM-A-53: - esta norma é similar a NBR5590. Para condução de fluidos com exigências especiais. São tubos produzidos com e sem costura em aço: grau A ou B. Estado de fornecimento: idem ao ASTM-A-120, fornecido com certificado de qualidade.ASTM-A-106: - para emprego em alta temperatura. Aço grau A, B ou C. Estado de fornecimento: idem ao ASTM-A-120, fornecido com certificado de qualidade.ASTM-A-179: - para tubos de aço baixo carbono, sem costura, trefilados a frio, para permutadores de calor ou condensadores.ASTM-A-192: - para tubos de aço carbono, sem costura para caldeiras de alta pressão.ASTM-A-210: - para tubos de aço carbono, sem costura, para caldeiras e superaquecedores.ASTM-A-333: - para tubos de aço para serviços em baixa temperatura. API-5L: Tubos de aço carbono para condução de produtos petrolíferos e outros fins, fornecidos com certificado de qualidade. Aço: Grau A ou B. Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades biseladas ou roscadas com ou sem luva, em comprimentos de fabricação. Peso do revestimento de zinco: Norma ASTM > de 550 g/m2 e no mínimo 490 g/m2 em qualquer extremidade do tubo.Tolerâncias: parede: máximo de 12,5% abaixo da parede nominal especificada. Diâmetro: até 1 1/2"+ 0,4 mm, - 0,8 mm; maior 1 1/2" ± 1% Peso do revestimento de zinco: - 10%.

RECOMENDAÇÕES E NORMAS APLICADAS A TUBOS DE AÇO EM GERAL

Os tubos produzidos aço liga são fabricados pelo processo de extrusão,

perfuração ou mandrilagem, a partir de tarugos de aço, podendo atingir diâmetros

de até 660 mm. Estes tubos fabricados em aço liga sem costura seguem as

normas de aplicação, que são as seguintes:

ASTM-A-199 - tubos de aço-liga, sem costura trefilados a frio, para permutadores

de calor e condensadores.

ASTM-A-200 - tubos de aço-liga, sem costura, para emprego em refinarias, nas

instalações de "Craking".

ASTM-A-213 - tubos de aço-liga ferrítico, sem costura, para caldeiras,

superaquecedores e permutadores de calor.

ASTM-A-334 - tubos de aço carbono ou liga para emprego em baixa temperatura.

ASTM-A-335 - tubos de aço-liga ferrítico, sem costura, para empregos em alta

temperatura.

RECOMENDAÇÕES PARA OS TUBOS FABRICADOS EM AÇO - LIGA SEM COSTURA

RECOMENDAÇÕES PARA OS TUBOS MECÂNICOS - SEM COSTURA

Os tubos do tipo mecânico sem costura são aplicáveis em conjuntos estruturais

mecânicos, máquinas, sistemas fluidodinâmicos e em operações onde são

exigidos alto grau de precisão e boa qualidade de superfície. Todo produto que

serve de matéria-prima para outro tem normas a serem seguidas, já que a

qualidade passa ser um fator importante. São as seguintes normas e as

aplicações devidas:

ST-52->tubos trefilados e laminados, mecânicos sem costura para serviços

gerais. Estado de fornecimento: pretos, com extremidades lisas, em

comprimento de fabricação ou cortados em medidas exatas, de acordo com

sua especificação.

NBR6591 -ASTMA513(TIPO1)

DIN 2394-NBR 5599 NBR 8621

RECOMENDAÇÕES PARA OS TUBOS DE AÇO - CARBONO TIPO COM COSTURA, PRETO E GALVANIZADOS

Estes tubos são produzidos com vários diâmetros e são encontrados no comércio com as seguintes características:Com diâmetros de 1/4" até 6": com solda longitudinal, soldadas por resistência elétrica à alta freqüência produzidos pelo processo "THERMATOOL" sem o elemento de adição;Com diâmetro entre 8" até 16": com solda Longitudinal, soldadas por resistência elétrica à alta freqüência (E.R.W.) produzidos pelo processo de formação contínua, com inspeção por ultra-som;Com diâmetros nominais de 18" até 24": com solda Longitudinal por arco submerso, produzidos pelo processo de formação em calandra ou prensa.Os tubos de aço-carbono, com costura, do tipo preto, ou do tipo galvanizado são produzidos de acordo com as seguintes normas:DIN-2440 (ABNT-NBR-5580)->Tubos de aço carbono para condução de fluidos. Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades lisas, biseladas ou roscadas, com ou sem luva, em comprimentos mínimos de 6 metros.DIN 2458 - Tubos de aço carbono fabricados para uso geral, tal como evaporadores, secadores, serpentinas, cozedores e câmaras de vácuo de usinas de açúcar. Estado de fornecimento: pretos, recozidos extremidades lisas, comprimentos de 6 metros, ou fixos, múltiplos, ou aproximados, sob consulta prévia. Ensaio hidrostático: 40 kg/cm2 (570 PSI).ASTM-A-178 -Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para caldeiras. Aço: grau A. Estado de fornecimento: idem ao DIN-2458 com certificado de qualidade.ASTM-A-214->tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para permutadores de calor. Estado de fornecimento: idem ao DIN-2458 com certificado de qualidade.ASTM-A-226 - Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para caldeiras e superaquecedores de alta pressão. Estado de fornecimento: idem ao DIN-2458 com certificado de qualidade.ASTM-A-134/139 ->Tubos para condução de fluidos, gás ou vapor. Estado de fornecimento: pretos, com extremidades biseladas em comprimentos de fabricação.API-5L -»tubos de aço carbono para condução de produtos petrolíferos e outros fins, fornecidos com certificado de qualidade. Aço: grau A ou B. Estado de fornecimento: pretos ou galvanizados, com extremidades biseladas ou roscadas com ou sem luva, em comprimentos de fabricação.

São fabricados especialmente para instalações elétricas que requerem alto grau

de segurança, os conhecidos eletrodutos são fornecidos com rebarba interna

totalmente removida ao longo do seu comprimento, propiciando assim,

acabamento esmerado e ainda, afastando os riscos de avarias na capa protetora

dos condutores. Estes tubos são produzidos segundo as seguintes normas:

ABNT-EB 341 (NBR 5597) E ANSI C.80.1 com rosca: padrão "americana" - ANSI

B.2.1 = NPT com Tolerâncias: até - 12,5%; peso dos eletrodutos: ± 10% espessura

da parede: diâmetro: ±1,1 mm para diâmetros maiores, descendo a ±, 6 mm para

diâmetros menores.

ABNT-EB 342 (NBR 5598) com rosca/padrão "inglesa" - BS 2.1 = BSP

tolerâncias: espessura da parede: até - 10%; Peso dos eletrodutos: ± 10%

Diâmetro: ± 0,6 mm para diâmetros maiores, descendo a ± 0,2 mm para diâmetros

menores.

RECOMENDAÇÕES PARA OS TUBOS ELETRODUTOS TIPO GALVANIZADOS

NOTA IMPORTANTE!Uma norma técnica é um documento de uso comum e repetitivo; estabelecido por consenso e aprovado por um organismo reconhecido que fornece regras, diretrizes ou características para atividades ou para seus resultados, visando à obtenção de um grau ótimo de ordenação em um dado contexto. Esta é a definição internacional de norma.

PRINCIPAIS NORMAS DE APLICAÇÃO DE TUBOS EXISTENTES NO MERCADO

Deve ser realçado o aspecto de que as normas técnicas são estabelecidas por consenso entre os interessados e aprovadas por um organismo reconhecido. Acrescente-se ainda que são desenvolvidas para o benefício e com a cooperação de todos os interessados, e, em particular, para a promoção de maior economia global, levando-se em conta as condições funcionais e os requisitos de segurança. As normas técnicas são aplicáveis a produtos, serviços, processos, sistemas de gestão, pessoal, enfim, aos mais diversos campos. Usualmente são estabelecidas explicitamente pelo cliente. Ou são, simplesmente, seguidas as normas em vigor no mercado. Elas podem estabelecer requisitos de qualidade, de desempenho, de segurança (seja no fornecimento de algo, no seu uso ou mesmo na sua destinação final), mas também podem estabelecer procedimentos, padronizar formas, dimensões, tipos, usos, fixar classificações ou terminologias e glossários, definir a maneira de medir ou determinar as características, como os métodos de ensaio. A tabela abaixo mostra algumas normas, as quais são utilizadas comercialmente para especificação de tubos conforme as suas várias aplicações.

NORMA APLICAÇÃO COMERCIAL DO AÇO

ANSIC-80.1Eletrodutos de aço

API 5 A Tubos de perfuração, revestimento e bombeamento para poços petrolíferos com exigência especiais.

API 5 AXTubos de perfuração, revestimento e bombeamento para poços petrolíferos com exigências especiais.

API5BEspecificação de roscas, calibres e inspeção de roscas para casing, tubing e line-pipe.

API 5LXTubos para condução de produtos petrolíferos com exigências especiais

ASTM A-106Tubos de aço carbono, sem costura para emprego a altas temperaturas.

ASTM A-120 Tubos de aço pretos ou galvanizados para condução de fluidos e outros fins

BS-1139 Tubos de aço para andaimes e fins estruturais

BS-1387 Tubos com costura - água, gás - aptos para dobras a frio. Teste hidrostático até 50 kg

BS-6363 Tubos de aço para fins estruturais

DIN1629 Tubos de aço carbono sem costura para tubulações, aparelhos e reservatórios.

DIN 2441 Tubos com costura. Dobra a frio. Pressão 50 kg

EB-383 Tubos de aço ferrítico, sem costura, para condução, utilizados em altas temperaturas em torno de 750°C.

EB-639 Tubos de aço carbono, para fins estruturais.

NBR-5580 Tubos de aço carbono, para condução de fluídos.

NBR-5585 Tubos de aço carbono, soldados por resistência elétrica, para permutadores de calor.

NORMAS DE AÇO COMERCIAL

Em função da sua aplicabilidade na indústria, os tubos, seguem

normas específicas, o que gera a necessidade de consultar as normas

próprias para cada aplicação.

Na fabricação de tubos para troca térmica é necessário que o

material utilizado possua resistência a temperaturas e, sendo assim, o

material aplicado na fabricação destes tubos deve seguir às normas

correlatas. A tabela 2.9, abaixo, relaciona algumas destas normas

utilizadas na fabricação de tubos de troca térmica.

NORMAS UTILIZADAS PARA FABRICAÇÃO DE TUBOS PARA TROCA TÉRMICA

NORMAS APLICAÇÕES

ASTM - A 178 Caldeiras

ASTM A 226 Caldeira de alta pressão e superaquecedor

NBR 5585 Trocadores e condensadores

NBR 5596 Super aquecedores

DIN2458/DIN 1628 Para alta performance

DIN2458/DIN 1615 Sem requisitos especiais

ASTM A 106 Sem costura para altas temperaturas

EB 334 Altas temperaturas

EB 338 Caldeiras e superaquecedores

ASTM A 179 Sem costura, trocadores.

ASTM A 192 Sem costura alta pressão

ASTM A 199 Sem costura permutadores e condensadores

ASTM A 209 Sem costura caldeira

UTILIZAÇÃO DOS AÇOS

ATENÇÃO! Para a solução do problema da escolha dos materiais, a experiência é indispensável e insubstituível. Exemplo: o material, para ser reconhecido como bom para a fabricação de uma tubulação de gás, é aquele que já foi usado por alguém nas mesmas condições de trabalho. Seguir a experiência é a solução mais segura, embora nem sempre conduza à solução mais econômica. Resumindo, pode-se indicar a seguinte rotina para seleção de materiais:

Conhecer os materiais disponíveis na prática e suas limitações físicas e de fabricação;

Selecionar o grupo mais adequado para o caso tendo em vista as condições de trabalho, corrosão, nível de tensão etc;

Comparar economicamente os diversos materiais selecionados, levando em conta todos os fatores de custo.

Quanto ao custo de uma tubulação, deve ser considerada a relação custo / resistência mecânica. Na análise de custos dos materiais devem ainda ser levados em consideração os seguintes pontos:

Resistência à corrosão (sobre espessura de sacrifício); Maior ou menor dificuldade de solda; Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho; Necessidade ou não de alívio de tensões.

Alloy name

Balance metal

Cr Al Ti C Cu Mn Co Ni Si Mo

020 Fe

(~40%)20 n/p n/p <0.07 3.5 <2.0 n/p 35 <1.0 2.5

DSFe

(~40%)18 n/p 0.2 0.1 0.5 0.8-1.5

18 (Co+Ni

38)

18 (Co+Ni 38)

2.3

MA956Fe

(~75%)20 4.75 0.4 <0.1 <0.15 <0.3 <0.3 <0.5 n/p

Incoloy refers to a range of superalloys produced by the Special Metals Corporation group of companies. They are mostly nickel-based, and designed for excellent corrosion resistance as well as strength at high temperatures; there are specific alloys for resistance to particular chemical attacks (e.g. alloy 020 is designed to be resistance to sulphuric acid, DS to be used in heat-treating furnaces with reactive atmospheres and many heat cycles)Incoloy MA956 is made by a mechanical alloying rather than a bulk-melting process; it was studied for space reactor components in the JIMO project. It is difficult to weld and needs to be heated to 200C for cold-forming processes.[1]

INCOLOY

Marca registada da Haynes International. É usada

como prefixo de 22 ligas metálicas altamente resistentes

à corrosão incluídas no que na indústria metalúrgica se

designa por superligas ou ligas de alto

desempenho.

O seu principal ingrediente é o níquel. Outros

ingredientes são adicionados ao níquel em cada uma das

subcategorias desta designação registrada e incluem

percentagens variáveis dos elementos   molibdênio, 

cromo,  cobalto,   ferro,   cobre,manganês,  

titânio,  zircônio,  alumínio,   carbono  e 

tungstênio.

HASTELLOY

LIGAS DE NÍQUEL

B

Recozimento pleno ou total;

Recozimento para alívio de tensões;

Esferoidização.

RECOZIMENTO: (ANNEALING)

Há três tipos de recozimento utilizados para os aços:

Zona crítica no aço é considerada a zona abaixo da linha GSE e

acima da linha PSK. Esta região corresponde a solidificação do

aço e cristalização secundária, é dita zona crítica, por ser região

de grandes transformações.

Assim temos:

Ttt = ToA3 + 50 oC ( para aços hipoeutetóides )

Ttt = ToA1 + 50 oC ( para aços hipereutetódes )

Onde To = temperatura para recozimento pleno.

Acima da linha

GSE (endurecimento

total; acima da linha

PSK (endurecimento

localizado.

B

É o aquecimento do aço acima da zona crítica, com permanência

nesta temperatura o tempo necessário para completa

homogenização da Austenita, e seguido de um resfriamento fora do

forno (ar parado).

A diferença entre normalização e recozimento pleno está na

velocidade de resfriamento, onde na normalização o resfriamento é

maios rápido, gerando assim uma estrutura mais fina.

Portanto, com uma granulação mais fina, a dureza, resistência à

tração, resistência à compressão, limite de escoamento são um

pouco mais elevados do que no estado plenamente recozido,

enquanto que o alongamento, resistência ao choque, ductilidade

sofrem ligeira diminuição.

Nesse caso, a velocidade de resfriamento já é um pouco elevada ,

mas ainda, podemos usar com certa cautela o Diagrama de Equilíbrio

Fe – C, para obtermos as estrutura (só que elas serão bem refinadas).

NORMALIZAÇÃO (NORMALIZING)

B

B

Essencialmente, o processo de cementação consiste na carbonização das partes superficiais do aço. Com este processo, um aço maleável fica muito resistente na superfície.O processo de cementação do aço é também chamado de processo de conversão. A peça é aquecida em forno abaixo do ponto de fusão do aço e então recebe carbono, o qual se difunde na superfície fazendo uma ligação com o ferro. A cementação ocorre em uma faixa de temperatura e a fonte de carbono é variável. No caso da Metal Härte, o carbono vem do gás propano.A cementação comporta muitas variações conforme o objetivo ou o trabalho que a peça vai desempenhar. As variações são de temperatura, profundidade de carbonização, tempo do processo, e controle da atmosfera. O tempo do processo vai depender da profundidade da cementação desejada - quanto mais tempo durar a cementação, mais profundamente teremos a presença do carbono difundido. A este processo segue-se a têmpera.As peças assim tratadas por cementação seguida de têmpera, apresentam elevada dureza na superfície e grande maleabilidade no núcleo (dependendo do tipo de aço). Estas características tornam o processo recomendado a certas peças que requerem muito esforço superficial, como é o caso das engrenagens, de roletes, buchas metálicas, e assim por diante.

PROCESSO TÉRMICO DE CEMENTAÇÃO

B

B

Têmpera aumenta a dureza e consequente resistência dos aços.

O processo da têmpera consiste em duas etapas: aquecimento e esfriamento rápido.

O aquecimento visa obter a organização dos cristais do metal, numa fase chamada austenitização.

O esfriamento brusco visa obter a estrutura martensita (supersaturada em carbono).

Na têmpera o aquecimento é superior à temperatura crítica, que é de 727ºC. O objetivo é conduzir o metal a uma fase, na qual se obtém o melhor arranjo possível dos cristais do metal, e portanto, da futura dureza.

A partir dessa fase o aço pode ser conduzido para outras fases, dependendo das necessidades em jogo. A temperatura dessa fase chama-se temperatura de austenização.

Como cada aço tem composição própria, a temperatura de austenização varia de aço para aço. Consequentemente, a têmpera é obtida em temperaturas diferentes, dependendo da composição do aço da peça e dos seus objetivos.

O próprio tempo de exposição da peça na temperatura de austenização é considerado quando se faz a sua têmpera. Cada aço tem uma temperatura de austenização, e que é aquela que proporciona o máximo de dureza. Essa temperatura é obtida dentro de fornos, os quais podem ser por chama ou por indução elétrica. Dependendo das exigências do cliente, a austenização, e conseqüentemente a têmpera, vai ocorrer apenas na superfície da peça ou em toda ela.

A segunda etapa da têmpera é o resfriamento, o qual deve ser brusco, em óleo ou água. A rapidez do resfriamento é importante para impedir que o aço mude para fase diferente daquela que se obteve na temperatura de austenização (obter estrutura martensítica). Quase sempre, após a têmpera, a peça é submetida ao revenimento.

TÊMPERA

B

A classificação dos aços segundo as normas da SAE

(Society of Automotive Engineers - EUA) é a mais utilizada

em todo o mundo para aços-carbono (aços sem adição de

elementos de liga, além dos que permanecem em sua

composição no processo de fabricação) e aços de baixa

liga (aços com baixas porcentagens de elementos de liga).

A classificação SAE é baseada na composição química do

aço. A cada composição normalizada pela SAE corresponde

a uma numeração com 4 ou 5 dígitos.

A mesma classificação também é adotada pela AISI

(American Iron and Steel Institute-EUA)

CLASSIFICAÇÃO SAE

B

A têmpera tende a tornar o aço excessivamente rígido (pouca

elasticidade) e frágil (pouca resistência ao choque) e a criar tensões

internas, o que é corrigido pelo revenido, que consiste em reaquecer a

peça temperada a uma temperatura muito inferior à da têmpera (zona

crítica-fase austenítica).

A temperatura de revenido e o tempo de manutenção desta

temperatura influem decisivamente nas propriedades finais obtidas

no aço: quanto mais tempo e/ou maior temperatura, mais dúctil se torna

o aço. Os elementos de liga contidos no aço também influem no

revenido, mudando o comportamento do aço no processo

(endurecimento secundário).

A temperatura de revenido normalmente situa-se entre 150°C e 600°C,

e o tempo de duração entre 1h e 3h. Todavia, quanto maior a

temperatura empregada, mais o revenido tende a reduzir a dureza

originalmente obtida na têmpera.

O revenido aumenta a ductilidade e a elasticidade do aço, e é usado

especialmente na fabricação de molas.

PROCESSO DE REVENIMENTO

B

AÇOS PARA TRABALHO A QUENTE, IDENTIFICADOS PELA LETRA HEstes aços foram desenvolvidos para suportar condições

combinadas de calor, pressão e abrasão associadas com

puncionamento, cisalhamento ou conformação de metais em

alta temperatura. Os aços do grupo H têm usualmente médios

teores de carbono , entre 0,35 e 0,45%, e teores combinados

de cromo, tungstênio, molibdênio e vanádio entre 6 e 25%. O

grupo é dividido em aços ao cromo, ao tungstênio e ao

molibdênio. 

A tabela abaixo mostra a composição química dos aços para

trabalho a quente.

B

B

B

PILGERING

B

FASES DAS LIGAS À BASE DE FERRO

Austenita (ferro-γ rígido)BainitaMartensitaCementita (carbeto de ferro; Fe3C)Ledeburita (austenita + cementita (eutética); 4,3% de carbono)Ferrita (Ferro-α, Ferro-δ; brando)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Esferoidita

Tipos de aço

Ferro-carbono (menos de 2,1% de carbono)Aço inoxidável (liga com crômio)Aço ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga)Aço rápido (muito rídigo; tratado no calor)

Outros materiais à base de ferro

Ferro fundido (>2,1% de carbono)Ferro forjado (quase sem presença de carbono)Ferro dúctil

A boa soldabilidade de um aço é associada à pouca transformação da estrutura cristalina na execução

da solda. Em geral como regra básica pode-se que o aumento do teor de carbono reduz a soldabilidade.

Altos teores de enxofre também são prejudiciais à soldagem.

A tabela ao lado classifica o aço em três grupos de acordo com a soldabilidade e o teor de carbono. Os

aços para construção civil estão predominantemente na classe I. Exceções são os aços para armadura de

concreto, como CA-50 e CA-60 (NBR 7480/96) que são difíceis de soldar e requerem operações de pré-

aquecimento e alívio de tensões.

Nota: O desenvolvimento de tecnologias de produção de vergalhões soldáveis e armaduras soldadas

tem facilitado a aplicação, pela redução de operações de soldagem no canteiro de obras.

SOLDABILIDADE DO AÇO

O ferro fundido é uma liga de ferro em mistura eutética com

elementos à base de carbono e silício. Forma uma liga metálica

 de ferro, carbono (entre 2,11 e 6,67%), silício (entre 1 e 3%),

podendo conter outros elementos químicos. Sua diferença para

o aço é que este também é uma liga metálica formada

essencialmente por ferro e carbono, mas com percentagens

entre 0,008 e 2,11%.

Os ferros fundidos dividem-se em três tipos principais: branco,

cinzento e nodular.

FERRO FUNDIDO

Ferro fundido cinzento

Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas

características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata);

elevada usinabilidade, devida à presença de grafite livre em sua 

microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com

paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige

equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.

Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e

equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A

presença de veios de grafite em sua microestrutura proporciona diversas

características que tornam do ferro fundido cinzento quase que insubstituível na

fabricação de carcaças de motores e bases de equipamentos. A grafite,

entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações e confere ao ferro

fundido uma melhor estabilidade dimensional.

Existem diversas classes de ferro fundido cinzento, com diferentes tipos,

tamanhos e quantidades de grafite e diferentes tipos de matriz metálica

(variações nos teores de perlita e cementita). Podem ser submetidos a 

tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são

utilizados principalmente no estado bruto de fundição, podendo ainda ser

normalizado ou recozido, por tratamento térmico.

Ferro fundido

Ferro fundido nodular

É uma classe de ferro fundido onde o carbono (grafite) permanece

livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este

formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior,

conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença

das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa

usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente

maior quando comparado ao ferro fundido cinzento, devido às estreitas

faixas de composição químicas utilizadas para este material.

O ferro fundido nodular é utilizado na indústria para a confecção de peças

que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros

fundidos cinzentos, além de maior resistência à tração e resistência ao

escoamento, característica que os ferros fundidos cinzentos comuns não

possuem à temperatura ambiente.

Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência mecânica à 

tracção, boa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Ferro fundido

Ferro fundido branco

Menos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em

peças em que se necessite elevada resistência à abrasão.

Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua

microestrutura. Neste caso o carbono encontra-se combinado

com o ferro, resultando em elevada dureza e elevada

resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. A peça

deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito

próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de 

abrasão com pouca remoção de material. É utilizado na

fabricação de equipamentos para a moagem de minérios,

pás de escavadeiras e outros componentes similares.

Ferro fundido

Ferro fundido maleável

A propriedade fundamental que distingue esta liga de ferro fundido cinzento

comum é sua ductilidade, a qual, expressa em alongamento, pode ultrapassar

10%. Por essa razão, é comum dizer-se que o ferro maleável é liga

intermediária entre o aço e o ferro fundido cinzento.

Propriedades mecânicas: alta resistência mecânica, baixa ductilidade e

resiliência, boa resistência à compressão, fluidez no estado liquido o que

permite a produção de peças complexas e finas.

A obtenção é feita a partir do ferro fundido branco e um tratamento

térmico chamado maleabilização, a peça do fofo branco fica submetido a uma

temperatura de 900° a 1000° durante 30h.

Aplicações: conexão para tubulações, sapatas de freios, caixas de engrenagens,

cubos de rodas, bielas,alças de caixões etc.

Ferro fundido austemperado

Propriedades mecânicas dos austemperados: alta tenacidade e resistência

mecânica à tração duas vezes superior ao nodular, e ductilidade igual aos

nodulares.

Ferro fundido

Os maleáveis de núcleo branco e de núcleo preto são, em princípio, maleáveis

ferríticos. A rigor, o de núcleo preto é o que apresenta maior importância tecnológica.

O maleável de núcleo branco, especificado pelas normas alemãs (DIN-1692),

apresenta, dependendo dos diâmetros dos corpos de prova ensaiados (portanto das

secções das peças fundidas), valores de limite de escoamento que devem ser

superiores a 20 kgf/mm2 (200 MPa), de limite de resistência à tração mínima de 34

a35 kgf/mm2 (330 a 340 MPa), com alongamentos medidos em 3d que variam de 3

a10%.

As aplicações típicas dessas classes são as seguintes:

 ASTM A 147 – serviços gerais para boa usinabilidade e resistência ao choque;

flanges, tubos, peças de válvulas e acessórios diversos para equipamento

ferroviário, equipamento naval e outros serviços pesados até temperaturas

de 345°C;

ASTM A 197 – acessórios de tubos e peças de válvulas para serviços de pressão;

ASTM A 220 – aplicações gerais a temperaturas normais e elevadas;

ASTM A 602 e SAE 5158 – peças de automóveis e compressores, como

alojamentos de mecanismos de direção, virabrequins, bielas, certas engrenagens,

tampas de mancais, componentes de transmissão automática, cubos de rodas

etc..

Ferro fundido maleável

Ferro fundido austemperado

É uma família de ferro fundido nodular tratado termicamente estabelecido

nas Normas ASTM 897M e EN1564.

Austêmpera é um tratamento isotérmico aplicado a materiais ferrosos que

requer um estrito e preciso controle de tempo e temperatura, produzindo

uma microestrutura resultante de alta ductilidade, tenacidade, com uma

resistência à tração, abrasão e fadiga duas vezes maior que com um

tratamento tradicional de têmpera.

Esse tratamento transforma o ferro fundido nodular dúctil outorgando

excelentes qualidades de resistência à ruptura, à fadiga, ao desgaste, e um

alongamento especifico muito elevado. Propriedades mecânicas dos

austemperados: alta tenacidade e resistência mecânica à tração duas vezes

superior ao nodular, e ductilidade igual aos nodulares.

Ferro fundido

O módulo de Young ou módulo de elasticidade é um parâmetro mecânico que proporciona uma medida da rigidez de um material sólido. É um parâmetro fundamental para a engenharia e aplicação de materiais pois está associado com a descrição de várias outras propriedades mecânicas, como por exemplo, a tensão de escoamento, a tensão de ruptura, a variação de temperatura crítica para a propagação de trincas sob a ação de choque térmico, etc.É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, microestrutura e defeitos (poros e trincas), que pode ser obtida da razão entre a tensão exercida e a deformação sofrida pelo material. Tensão corresponde a uma força ou carga, por unidade de área, aplicada sobre um material, e deformação é a mudança nas dimensões, por unidade da dimensão original. Assim, o módulo de Young é dado por:[1]

em que:E é o módulo de elasticidade ou módulo de young, medido em pascal,σ é tensão aplicada, medida em pascal,ε é a deformação elástica longitudinal do corpo de prova (adimensional).ou  = ondeF é a força, medida em newton.A é a área da secção através da qual é exercida a tensão, e mede-se em metros quadrados.Δl é a variação do comprimento, medido em metros.l0 é o comprimento inicial, medido em metros.

Para a maioria dos metais, este módulo varia entre 45 GPa, para o magnésio, até 400 GPa, para o tungstênio. Os polímeros geralmente possuem módulo de elasticidade bem mais baixos, variando entre 0,002 e 4,8 GPa. [1]

A diferença na magnitude do módulo de elasticidade dos metais, cerâmicas e polímeros é consequência dos diferentes tipos de ligação atômica existentes neste três tipos de materiais. Além disso, com o aumento da temperatura, o módulo de elasticidade diminui para praticamente todos os materiais, com exceção de alguns elastômeros.Os valores dos módulos de elasticidade de diferentes classes de materiais podem ser encontrados em livros e sites que abordam o assunto (Ver item Ligações externas).Outras propriedades elásticas importantes são: módulo de cisalhamento (G), módulo volumétrico (K) e coeficiente de Poisson (μ). Os métodos de caracterização podem ser por meio de ensaio destrutivo (em que o corpo de prova fica inutilizado após a realização) ou ensaio não destrutivo (sem qualquer dano, podendo o material ser reutilizado normalmente).Nos ensaios destrutivos, também chamados de quase-estáticos, a carga, que pode ser estática ou se alterar lentamente ao longo do tempo, é aplicada uniformemente sobre uma secção reta ou superfície de um corpo, e a deformação é medida e relacionada ao módulo elástico que pode ser o módulo de Young ou o módulo de cisalhamento, dependendo do tipo de ensaio. Há três maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada: tração e compressão para a determinação do módulo de Young e cisalhamento ou torcional para o módulo de cisalhamento; sendo que os ensaios de tração são os mais comuns.Já nos ensaios não destrutivos, dinâmicos ou por ultra-som, os módulos elásticos são determinados a partir da frequência de vibração natural (ressonância) do corpo de prova com amplitudes de vibração (deformação) mínimas.

MÓDULO DE YOUNG OU MÓDULO DE ELASTICIDADE