processo de fabrica
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Universidade do Vale do Itaja
Campus VII - So Jos
UNIVALI Direo do Centro de Educao Superior
PROCESSOS DE FABRICAO I
UNIDADE 1
Curso de Engenharia Industrial Mecnica
Prof. Dr. Eng. Cludio Roberto Losekann
AGOSTO/2001
-
II
NDICE ANALTICO
NDICE ANALTICO ..........................................................................................................................................II
NDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................................V
PROCESSOS DE FABRICAO.......................................................................................................................1
1 - INTRODUO................................................................................................................................................1
1.1 - FUNDIO...............................................................................................................................................5
1.2 - USINAGEM...............................................................................................................................................5
1.3 - SOLDAGEM..............................................................................................................................................6
1.4 - METALURGIA DO P.............................................................................................................................6
1.5 - CONFORMAO MECNICA...............................................................................................................7
2 - ENSAIOS MECNICOS.................................................................................................................................8
2.1 - INTRODUO..........................................................................................................................................8
2.2 - DEFINIO.................................................................................................................................................10
2.2.1 - PROPRIEDADES MECNICAS......................................................................................................10
2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECNICOS.......................................................................................................12
2.3.1 - ENSAIO DE TRAO......................................................................................................................13
2.3.1.1 - Diagrama tenso - deformao....................................................................................................................15
2.3.1.2 - Propriedades mecnicas 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 COMPRESSO............................................................................................................27
2.3.2.1 - Limitaes do ensaio de compresso..........................................................................................................28
2.3.2.2 - Ensaio de compresso em materiais dcteis................................................................................................29
2.3.2.3 - Ensaio de compresso diametral.................................................................................................................29
2.3.3 - ENSAIO DE FLEXO......................................................................................................................35
2.3.3.1 - Significado de flexo..................................................................................................................................35
2.3.3.2 - Mtodo do ensaio de flexo........................................................................................................................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 penetrao.......................................................................................................................57
-
III
2.3.4.6 - Dureza Shore..............................................................................................................................................60
2.3.4.7 -Consideraes finais....................................................................................................................................61
2.3.5 - ENSAIO DE IMPACTO....................................................................................................................65
2.3.5.1 - Descrio do Ensaio de Impacto.................................................................................................................67
2.3.6 - ENSAIOS METALOGRFICOS.......................................................................................................76
2.3.6.1 - Ensaio metalogrfico macrogrfico.............................................................................................................77
2.3.6.2 - Ensaio metalogrfico microgrfico.............................................................................................................77
3 - AJUSTAGEM.................................................................................................................................................87
3.1 - INTRODUO........................................................................................................................................87
3.2 - DEFINIO.............................................................................................................................................87
3.2.1 - LIMAGEM........................................................................................................................................88
3.2.1.1 - Critrio para a escolha da ferramenta..........................................................................................................88
3.2.1.2 - Classificao geral das limas......................................................................................................................91
3.2.1.3 - Informaes gerais......................................................................................................................................94
3.2.2 - TRAAGEM.....................................................................................................................................95
3.2.2.1 -Tipos de traado...........................................................................................................................................95
3.2.2.2. - Materiais de traagem................................................................................................................................96
3.2.3 - SERRAMENTO...............................................................................................................................100
3.2.4 - FURAO......................................................................................................................................102
3.2.4.1 - Tipos de furao.......................................................................................................................................102
3.2.4.2 - Tipos de furadeiras....................................................................................................................................103
3.2.4.3 - Brocas.......................................................................................................................................................105
3.2.4.4 - Parmetros de furao...............................................................................................................................108
3.2.4.5 - Escareadores.............................................................................................................................................109
3.2.5 - ROSCAMENTO..............................................................................................................................109
3.2.5.1 - Machos.....................................................................................................................................................111
3.2.5.2 - Cossinetes.................................................................................................................................................112
3.2.5.3 - Tipos de roscamento.................................................................................................................................113
4 - USINAGEM..................................................................................................................................................118
4.1 - INTRODUO......................................................................................................................................118
4.2 - PROCESSOS CONVENCIONAIS DE USINAGEM............................................................................118
4.2.1 - AFIAO........................................................................................................................................119
4.2.2 - ALARGAMENTO............................................................................................................................119
4.2.3 - APLAINAMENTO...........................................................................................................................120
4.2.4 - BROCHAMENTO...........................................................................................................................123
4.2.5 - BRUNIMENTO...............................................................................................................................123
4.2.6 - DENTEAMENTO............................................................................................................................124
4.2.7 - ESPELHAMENTO..........................................................................................................................125
4.2.8 - FRESAMENTO...............................................................................................................................126
-
IV
4.2.9 - FURAO......................................................................................................................................130
4.2.10 - JATEAMENTO.............................................................................................................................132
4.2.11 - LAPIDAO................................................................................................................................132
4.2.12 - LIXAMENTO................................................................................................................................132
4.2.13 - MANDRILAMENTO.....................................................................................................................133
4.2.14 - POLIMENTO................................................................................................................................134
4.2.15 - ROSQUEAMENTO.......................................................................................................................135
4.2.16 - RASQUETEAMENTO...................................................................................................................135
4.2.17 - RETIFICAO.............................................................................................................................135
4.2.18 - SERRAMENTO.............................................................................................................................138
4.2.19 - TORNEAMENTO..........................................................................................................................139
4.3 - PROCESSOS NO CONVENCIONAIS DE USINAGEM...................................................................142
4.3.1 - USINAGEM QUMICA...................................................................................................................142
4.3.2 - USINAGEM POR FEIXE ELETRNICO.......................................................................................142
4.3.3 - USINAGEM POR LASER...............................................................................................................143
4.3.4 - USINAGEM POR ULTRA-SOM.....................................................................................................143
4.3.5 - USINAGEM ELETROQUMICA....................................................................................................144
4.3.6 - ELETROEROSO A FIO...............................................................................................................144
4.3.7 - ELETROEROSO POR PENETRAO........................................................................................145
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .............................................................................................................146
-
VNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricao no contexto atual. 3
FIGURA 1.2 - Extruso de cermica e Injeo de plstico 4
FIGURA 1.3 - Fundio em cera perdida. 5
FIGURA 1.4 - Metalurgia do p. 7
FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaiouniversal; b) Durmetro. 11
FIGURA 2.2 - Pea tracionada. 13
FIGURA 2.3 - Tenso de trao. 13
FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps oensaio. 14
FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais atravs do diagrama ssx ee. 16
FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura. 17
FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura. 18
FIGURA 2.8 - diagrama ss x ee para ligas do tipo ao baixo carbono. 18
FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso. 20
FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia. 21
FIGURA 2.11 - Mquina de ensaio e registrador. 22
FIGURA 2.12 - Corpos de prova. 23
FIGURA 2.13 - Tipos de fixao. 23
FIGURA 2.14 - Preparao 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 - Determinao do Limite de Escoamento. 26
FIGURA 2.18 - Esquema da compresso. 27
FIGURA 2.19 - Ensaio de compresso. a) normal; b) flambagem. 28
FIGURA 2.20 - Ensaio de compresso em materiais dcteis. 29
FIGURA 2.21 - Esquema de esforos aplicados em um corpo de prova cilndricode dimenses D e L. 30
FIGURA 2.22 - Representao esquemtica da distribuio das tenses decompresso e de trao. 30
FIGURA 2.23 - Ensaios em molas. 31
8) O Que limite de escoamento? 34
FIGURA 2.24 - Flexo em uma barra de seco retangular. 36
FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo. 37
-
VI
FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma foraF aplicada em sua extremidade. 38
FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos. 39
FIGURA 2.28 - Mtodo de flexo a quatro pontos. 40
FIGURA 2.29 - ngulo ff nas impresses Brinell . 45
FIGURA 2.30 - Penetradores de Dureza Rockwell . 50
FIGURA 2.31 - Indicador analgico . 51
FIGURA 2.32 - Esquema da seqncia de operaes . 52
FIGURA 2.33 - Aspectos da fratura . 66
FIGURA 2.34 - Mquina 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 transio . 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 localizao de um corte longitudinal axial sobre oaspecto de segregao. 78
FIGURA 2.41 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente ecom feixes incidentes e de reflexo de luz. 81
FIGURA 2.42 - Macrografia de uma pea de alumnio fundido com contornosde gros 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 - Caractersticas gerais das limas. 94
FIGURA 3.8 - Traado no plano. 96
FIGURA 3.9 - Traado no espao. 96
FIGURA 3.10 - Tipos de esquadro. 97
FIGURA 3.11 - Graminho. 98
FIGURA 3.12 - Gonimetro. 98
FIGURA 3.13 - Compasso. 99
-
VII
FIGURA 3.14 - Calo de apoio simples e forma de T para grandes apoios. 99
FIGURA 3.15 - Serra manual. 100
FIGURA 3.16 - Direo de corte. 100
FIGURA 3.17 - Serras circulares. a) caso 1; b) caso 2. 101
FIGURA 3.18 - Serras contnuas. 102
FIGURA 3.19 - Etapas da furao. 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 - ngulo da ponta. 107
FIGURA 3.27 - ngulo de folga. 108
FIGURA 3.28 - Escareadores. 109
FIGURA 3.29 - Pente para determinao 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 mltiplo. 114
FIGURA 3.35 - Roscamento externo com ferramenta de perfil nico. 114
FIGURA 3.36 - Roscamento externo com fresa de perfil mltiplo. 115
FIGURA 3.37 - Roscamento externo com com jogo de pentes. 116
FIGURA 3.38 - Roscamento interno com macho. 117
FIGURA 4.1 - Afiao. 119
FIGURA 4.2 - Cilndrico de acabamento. 120
FIGURA 4.3 - a) Cnico de acabamento, b) Cnico 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 superfcies cilndricas de revoluo. 122
-
VIII
FIGURA 4.10 - Brochamento externo e interno. 123
FIGURA 4.11 - Brunimento. 124
FIGURA 4.12 - Denteamento. 125
FIGURA 4.13 - Espelhamento cilndrico. 125
FIGURA 4.14 - Espelhamento plano. 126
FIGURA 4.15 - Fresamento cilndrico tangencial de topo. 127
FIGURA 4.16 - Fresamento tangencial concordante. 127
FIGURA 4.17 - Fresamento tangencial disconcordante. 127
FIGURA 4.18 - Fresamento tangencial de perfil. 128
FIGURA 4.19 - Fresamento frontal. 128
FIGURA 4.20 - Fresamento frontal de canaleta. 129
FIGURA 4.21 - Fresamento frontal rabo de andorinha. 129
FIGURA 4.22 - Fresamento composto. 130
FIGURA 4.23 - Furao em cheio. 131
FIGURA 4.24 - Furao de centro. 131
FIGURA 4.25 - Trepanao. 131
FIGURA 4.26 - Lapidao. 132
FIGURA 4.27 - Lixamento com fita e folhas. 133
FIGURA 4.28 - Mandrilamento cilndrico. 133
FIGURA 4.29 - Mandrilamento cnico. 134
FIGURA 4.30 - Mandrilamento esfrico. 134
FIGURA 4.31 - Polimento. 135
FIGURA 4.38 - Torneamento cilndrico externo. 140
FIGURA 4.39 - Faceamento. 140
FIGURA 4.40 - Sangramento axial e radial. 140
FIGURA 4.41 - Perfilamento. 141
FIGURA 4.42 - Torneamento curvilneo. 141
FIGURA 4.43 - Usinagem por feixe de eltrons. 142
FIGURA 4.44 - Usinagem por laser. 143
FIGURA 4.45 - Usinagem por ultra-som. 144
FIGURA 4.46 - Eletroeroso a fio. 145
FIGURA 4.47 - Eletroeroso por penetrao. 145
-
1PROCESSOS DE FABRICAO
1 - INTRODUO
Generalizar processos de fabricao como uma rea de metal-mecnica um erro to
grande quanto as inquisies imposta pela igreja crist entre os sculos XIII e XVI, isto , os
processos de fabricao esto relacionadas com materiais e produtos, cujo destino o
consumidor. Embora existe uma srie de produtos que tem um conjunto de materiais
diferentes, como um automvel, cuja fabricao das partes so tercerizadas no contexto da
globalizao, pode-se considerar comuns os processos de fabricao em determinados reas
afins. Na atualidada, as reas afins de indstria so: a indstria metal-mecnica, cujo produto
principal de fabricao tem como base o ao, o ferro-fundido, ligas de alumnio e ligas de
cobre; a indstria de cermicas, cujo produto de fabricao de maior consumo aquele
considerado cermica convencional (vasos, pratos, pisos, revestimentos, e outros); a indstria
de plsticos, que tem como base a fabricao de plsticos de utenslios domsticos; a indstria
agro-industrial, que de uma certa forma utiliza os mais diferentes produtos dos outros tipos de
indstrias citadas anteriormente e poderia ser citada tambm a indstria de informtica. Todas
estas indstrias so de transformao e utilizam os mais diferentes tipos de processos de
fabricao. Atravs dos processos de fabricao utilizados nestes grupos principais de
indstrias, houve uma evoluo de novos materiais como os compsitos, que pode ser
metal-plstico, metal-cermica, cermica-plstico. No cabe discutir neste tema definies de
materiais como plsticos ou cermicas, que ambos podem ser classificados como polmeros.
O processo de fabricao de injeo de plstico, bem como a metalurgia do p,
evoluram do processo de fabricao de cermica, que tem sua origem com o incio da
civilizao. A prpria civilizao est em constante mutao, mas as transformaes so
lentas. Por isto, faz-se necessrio lembrar pontos histricos para explicar processos de
fabricao.
-
2Um dos processos de fabricao mais antigo o processo de fundio. Utilizado pela
civilizao desde 4.000 a.C. a 3.000 a.C., iniciando-se com o processo de fundio de cobre,
seguindo com o bronze e posteriormente com o ferro, por causa do seu elevado ponto de
fuso. Estima-se que o homem das cavernas conhecia o ferro e suas origens como matria
prima para a fabricao de armas e implementos agrcolas. Naquela poca, o ferro era
considerado metal nobre e precioso, sendo utilizado quase que exclusivamente para aqueles
fins e tambm como metal de adorno. Com o passar do tempo, o homem descobriu outras
utilidades que o minrio de ferro poderia proporcion-los.
Em fornos rudimentares, construdos nas encostas das colinas e aproveitando o fluxo
do vento para intensificar a combusto da lenha, esse processo aumentava a produo de
metal fundido, fruto da reduo direta do metal pela queima de lenha. Na Idade Mdia, a
Europa considerava a produo de ferro de suma importncia. Nessa poca, obtinha-se um
tipo grosseiro de ferro fundido pela reduo direta do minrio, sem a obteno direta do ferro
gusa. Isso implicava na obteno de uma massa pastosa que, ao solidificar, tornava-se frgil e
quebradia, o que obrigava sua aplicao por meio de forjados excessivamente pesados e
macios, em geral, espadas, adagas e machados de difcil manejo. Da em diante, o processo
se desenvolveu cada vez mais. Somente nos ltimos sculos vm sido utilizado a cermica em
fornos de fundio para controlar o calor no processo de fundio.
Por volta de 1.450 que se iniciou a obteno intermediria do ferro gusa, j que se
conseguiam maiores temperaturas nos processos ento utilizados. Em conseqncia, o ferro
absorvia maior quantidade de carbono (do carvo vegetal), formando o ferro gusa que escorria
de forma no pastosa, permitindo seu melhor manuseio. Em 1.640, foi desenvolvido o
primeiro alto-forno para produo de ferro gusa. Nessa poca, a indstria siderrgica passou a
ocupar um papel mais preponderante nas atividades comerciais e na economia dos pases
ocidentais, entretanto o consumo de carvo vegetal para a produo de ferro, provocou uma
devastao florestal de repercusso danosa.
Somente em 1.710, perodo da Revoluo Industrial, que se revigorou, na Gr-
Bretanha, o uso industrial do coque (derivado do carvo mineral) como substituto do carvo
-
3vegetal na reduo do minrio de ferro, provocando um novo e importante impulso na
atividade siderrgica. Entretanto, essas evolues da fundio, decorriam da indstria txtil,
visto que, neste perodo, a produo do tecido de l no atendia a demanda. Invenes como a
mquina de fusos mltiplos produziam rapidamente maior quantidade de fio, especialmente
de algodo, que era importado dos Estados Unidos, tornando-se vital para a indstria txtil da
Gr-Bretanha. Mais aparelhos de fiao como: o water frame - bastidor de fiao de
algodo movido a gua - e a mquina de fiao (1.770), o tear mecnico de Cartwright, que
podia ser operado por mo-de-obra no especializada, marcou o fim da tecelagem manual.
Desta forma, aumentava a produo txtil e conseqntemente a produo de equipamentos
para fabricao destas mquinas. A descoberta do motor a vapor, do ao e posteriormente a
eletricidade contriburam de forma significativa a evoluo dos processos de fabricao.
No contexto atual os processo de fabricao de produtos de consumo esto
interligados. A figura abaixo mostra, de uma forma resumida, estas interligaes.
Matria-prima
Processo de fabricaoMetal-mecnica
Processo de fabricaoPlstico
Processo de fabricaoCermica
Consumidor
FIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricao no contexto atual.
A figura abaixo mostra o processo de extruso de cermica e de injeo de plstico. A
metalurgia do p utiliza o mesmo processo da injeo de plstico com algumas alteraes.
-
4FIGURA 1.2 - Extruso de cermica e Injeo de plstico
A fabricao pode ser definida como a arte e a cincia de transformar os materiais em
produtos finais utilizveis e - num contexto de economia de mercado - rentveis. O processo
global de fabricao uma srie de interaes complexas entre materiais, mquinas, pessoas e
energia, comeando com a criao de peas individuais que iro finalmente constituir, atravs
de operaes de montagem, um produto final.
Na seleo dos materiais para as peas, tem-se em vista as caractersticas exigidas das
peas e o seu comportamento nos sistemas que faro partes; e, por outro lado, as propriedades
que os materiais devem apresentar para atender adequadamente as caractersticas exigidas
com custo mnimo e a vida til esperada. A escolha do processo de fabricao feita
considerando-se as caractersticas de trabalho das peas, seu material, forma e dimenses, o
nmero de unidades a produzir, a taxa de produo, a vida til requerida de cada unidade e o
grau e preciso e acabamento estipulados. Sempre existe uma interao entre o material da
pea e o processo de fabricao, na qual um exerce restries sobre o outro, sendo esta,
portanto, considerao essencial, na maioria dos casos, para seleo de ambos.
No caso particular dos metais, que so um dos materiais mais empregados na
construo mecnica, sua obteno se inicia com extrao e refino do minrio e vem,
geralmente, seguido da fuso para obteno do metal na forma lquida e, posteriormente,
convert-lo em formas (grnulos, barras, ps) que possam ser convenientemente utilizadas nos
diversos processos de fabricao. Os processos de fabricao na indstria metal-mecnica
-
5podem ser agrupados em cinco classes principais: fundio, usinagem, soldagem,
metalurgia do p e conformao mecnica.
1.1 - FUNDIO
O metal, no estado lquido, vazado dentro de um molde (de gesso, de areia, metlico,
etc. ), que um negativo da pea a ser obtida contendo algumas alteraes prprias das
tcnicas de fundio, e solidifica-se na forma desejada. Trata-se de um capaz de fornecer uma
variedade de formas. Por outro lado, as peas podem facilmente apresentar defeitos
decorrentes do processo, tais como: bolhas de ar, vazios ou rechupes e sua estrutura
geralmente dendrtica (gros colunares e grosseiros).
FIGURA 1.3 - Fundio em cera perdida.
1.2 - USINAGEM
Consiste na remoo (arrancamento) de partculas de material de um bloco ou forma
bruta, at atingir a forma desejada. efetuada com o auxlio de ferramentas adequadas de
material duro em mquinas especiais (tornos, plainas, fresadoras. retificadoras, etc.) ou,
tomada em seu sentido mais amplo, mediante tcnicas especiais no mecnicas como a eletro-
eroso. A usinagem empregada geralmente para produzir formas com elevada tolerncia
-
6dimensional, bom acabamento superficial e, freqentemente, geometrias complexas. A
usinagem uma operao secundria de processamento, uma vez que, em geral, realizada
em uma pea que j foi produzida por um processo primrio tal como a laminao, forjamento
ou fundio. Como principais desvantagens tem-se: perda de material, morosidade da
operao, incapacidade para alterar a microestrutura da pea, no remediando problemas
provenientes da fundio.
1.3 - SOLDAGEM
um conjunto de processos que permitem obter peas pela unio de vrias partes,
estabelecendo a continuidade das propriedades qumicas, fsicas e mecnicas do material
utilizando, ou no, material adicional para servir de ligao (solda ).
1.4 - METALURGIA DO P
A metalurgia do p consiste na formao de peas atravs da prensagem de ps
(matrias - primas) com o auxlio de ligantes. Uma vez obtido o "corpo - verde", o mesmo
sinterizado em temperaturas especficas com diminuio considervel do volume da pea e
um aumento substancial de sua resistncia mecnica. A metalurgia do p tem tido nos ltimos
anos um grande e acelerado desenvolvimento, conforme dados disponveis; seu futuro a curto
e mdio prazo realmente promissor. Uma das grandes vantagens deste processo tecnolgico
poder obter produtos e componentes acabados com uma homogeneidade e preciso
dimensional superior a conseguida por outras tcnicas e a menor custo para grande produo,
devido principalmente a economia de matria-prima e energia, e a mnima ou nenhuma
operao de usinagem.
-
7FIGURA 1.4 - Metalurgia do p.
1.5 - CONFORMAO MECNICA
o nome genrico dos processos em que se aplica uma fora externa sobre a matria-
prima, obrigando-a a tomar forma desejada por deformao plstica. O volume e a massa do
metal se conservam neste processos. As vantagens principais so: bom aproveitamento da
matria-prima, rapidez na execuo, possibilidade de melhoria e controle das propriedades
mecnicas do material. Por exemplo: bolhas e porosidades em lingotes fundidos podem ser
eliminados atravs de conformao mecnica a quente, melhorando a ductilidade e a
tenacidade. A dureza do produto pode ser controlada alternando etapas de conformao a frio
e recozimento.
Assim, a disciplina de Processos de Fabricao inicia com um estudo de ensaios
mecnicos para compreender as propriedades mecnicas dos materiais para correlacionar com
os processos de fabricao nas reas de metal-mecnica, plsticos e cermicos, seguido de
ajustagem, que pode ser considerado como etapas de usinagem e, posteriormente as duas
grandes reas de processos de fabricao, finalizando com processamento de polmeros e de
cermicos.
-
82 - ENSAIOS MECNICOS
2.1 - INTRODUO
A nova tendncia de matrias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricao
determinaram criao de mtodos padronizados de produo, e ao mesmo tempo,
desenvolveram-se processos e mtodos de controle de qualidade dos produtos. Entende-se que
o controle de qualidade precisa comear pela matria-prima e deve ocorrer durante todo o
processo de produo, incluindo a inspeo e os ensaios finais nos produtos acabados.
Todos os materiais tm propriedades distintas. A comear pela Tabela Peridica, onde
cada elemento qumico tem um nmero e massa atmica prpria. O uso correto do material
depende do profundo conhecimento dele e das implicaes tecnolgicas de sua obteno, por
exemplo, metais, semicondutores, cermicos, plsticos, compsitos. Todos esses materiais
podem ser encontrados tanto em um automvel quanto em uma espaonave.
Os materiais acima descrito podem ser agrupados em dois grupos e quatro subgrupos:
Materiais metlicos;
Materiais no-metlicos.
A tabela abaixo mostra este agrupamento.
MATERIAIS
METLICOS NO-METLICOS
Ferrosos No-ferrosos Naturais Sintticos
Aos Alumnio Madeira Vidro
Ferros fundidos Cobre Asbesto Cermica
Zinco Couro Plstico
Magnsio Semicondutor (C, Ge,Si,...)
Semicondutor (GaAs,GaAsP, CdS,...)
Chumbo Borracha Borracha
Tungstnio Compsito
-
9Alguns dos materiais da tabela acima so duro e frgil, outros so moles e dcteis. Uns
tem elevado ponto de fuso, outros tem baixo e alguns nem apresentam ponto de fuso
definido, ou seja, os materiais apresentam propriedades fsicas e qumicas distintas.
Propriedades fsicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades mecnicas,
trmicas, eltricas, magnticas e ticas;
Propriedades qumicas: pode ser agrupadas, a esta propriedade, as propriedades de atividade,
difusividade, resistncia a oxidao, resistncia a corroso.
s vezes comum encontrar a propriedade mecnica de um material distinta da
propriedade fsica, conforme o exemplo do polmero abaixo:
Nome: poli (estireno-butadieno-acrilonitrila) - ABS - alto impacto
Composio: (CH2-CH-C6H4)n
Classificao: Polmeros
Aplicaes: Gabinetes e caixas domsticas, caixas de televiso, telefones, batedeiras e
liqidificadores, aspiradores de p, box para chuveiros.
Processos: injeo, usinagem, outros.
Propriedades MecnicasDuctilidade: 0,06 - 0,09Coeficiente de Poisson: 0,38 - 0,42Coeficiente de Atrito: 0,47 - 0,52Dureza: 70 - 140 (MPa)Mdulo de Bulk: 3 - 4,4 (GPa)Mdulo de Cisalhamento: 0,7 - 0.95 (GPa)Mdulo de Elasticidade: 1,8 - 2,7 (GPa)
-
10
Resistncia ao Impacto: 200 - 400 (J/m, notao Izod)Limite Elstico: 27 - 55 (MPa)Tenacidade a Ruptura: 3 - 4 (MPa.m1/2)Tenso de Escoamento:Tenso de Compresso: 60 - 100 (MPa)Tenso de ruptura por trao: 36 - 48 (MPa)Propriedades TrmicasCalor Especfico: 1.500 - 1.530 (J/kg.K)Calor latente de Fuso: No se aplicaDilatao Trmica: 70 - 95 (10-6/K)Condutividade Trmica: 0,14 - 0,22 (W/m.K)Ponto de Fuso: No se aplicaTemperatura de Transio Vtrea: 370 - 375 (K)Temperatura Mxima de Servio: 340 - 350 (K)Temperatura Mnima de Servio: 150 - 200 (K)Propriedades FsicasAbsoro de gua: 0,3 - 0,32 (%)Densidade: 1,02 - 1,1 (Mg/m3)ndice de Refrao:Flamabilidade: regularPropriedades EltricasConstante Dieltrica: 2,4 - 2,9Resistividade: 6,31 - 15,8 (1013 ohm.m)
2.2 - DEFINIO
2.2.1 - PROPRIEDADES MECNICAS
As propriedades mecnicas aparecem quando o material est sujeito a esforos de natureza
mecnica, isto , propriedades que determinam a maior ou menor capacidade de resistir ou
transmitir esforos que lhe so aplicados. Essa capacidade necessria durante o processo de
fabricao, como tambm durante a sua utilizao. Em termos de indstria mecnica, a
propriedade mecnica considerada uma das mais importante para a escolha da matria-
prima. As propriedades mecnicas as que se tem maior interesse so: resistncia a trao e
compresso, dureza, ductilidade, fragilidade, elasticidade, plasticidade, tenacidade,
maleabilidade.
-
11
Resistncia trao e compresso: a resistncia que o material oferece a esforos de
trao ou de compresso at a sua ruptura. Esta resistncia medida atravs de ensaios de
trao ou de compresso na mquina universal de ensaio;
Dureza: a resistncia que o material oferece penetrao, deformao plstica
permanente e, ou ao desgaste. Esta propriedade tem definies metalrgicas, mineralgicas e
mecnicas. Esta resistncia medida atravs de ensaios de dureza;
a) b)
FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaio universal; b)
Durmetro.
Ductilidade: a capacidade que um material tem de se deformar sem rompimento, quando
for submetido a presso esttica;
Fragilidade: a capacidade que um material apresenta de romper-se quando for submetido a
impacto. Em geral, os materiais duros so tambm frgeis;
Elasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um
esforo, e recuperar sua forma original, quando for cessado o esforo que o deformou;
Plasticidade: a capacidade que um material tem de se deformar, quando submetido a um
esforo, e manter-se deformado aps cessado o esforo que o deformou;
-
12
Tenacidade: a capacidade que um material tem de absorver energia at a sua ruptura,
quando o mesmo for submetido esforos estticos ou dinmicos. Os materiais dcteis
apresentam maior tenacidade que os materiais frgeis. O ferro fundido e o vidro so dois
materiais frgeis, entretanto, os ferros fundidos apresentam maior tenacidade que os vidros;
Maleabilidade: a capacidade que um material tem de se transformar em lminas quando
submetidos a esforos estticos.
Os ensaios mecnicos dos materiais so procedimentos padronizados mediante normas
tcnicas que compreendem testes, clculos, grficos para a determinao de propriedades
mecnicas. As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios vem das
seguintes instituies: ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas); ASTM (American
Society for Testing and Materials); DIN (Deuches Institut fr Normung); AFNOR
(Association Franaise 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 j fabricado ou um material
que vai ser processado industrialmente a situaes que simulam esforos nas condies reais
de uso, chegando a limites extremos de solicitao. Os ensaios mecnicos padronizados so
realizados em laboratrios equipados adequadamente para levantamento de dados, entretanto,
alguns ensaios no padronizados para uma anlise prvia, pode ser feita em oficina como o
ensaio por lima (verificao de dureza por meio do corte de cavaco) e o ensaio em esmeril
(verificao do teor de carbono em um ao atravs da anlise da centelha).
2.3 - TIPOS DE ENSAIOS MECNICOS
Existem vrios critrios para classificar os ensaios mecnicos. A classificao mais
utilizada a que separa em dois grupos:
ensaios destrutivos: so aqueles que ocorrem mediante a destruio do corpo de prova ou
pea ou que deixam algum sinal, mesmo que estes no fiquem inutilizados. Estes ensaios so:
Trao, Compresso, Cisalhamento, Dobramento, Flexo, Embutimento, Toro, Dureza,
Fluncia, Fadiga, Impacto.
-
13
ensaios no destrutivos: so aqueles que aps sua realizao no deixam nenhuma marca ou
sinal e, por conseqncia, nunca inutilizam a pea ou corpo de prova. Por esta razo, podem
ser usados para detectar falhas em produtos acabados ou semi-acabados. Estes ensaios so:
Lquido Penetrante, Partculas Magnticas, Ultra-som e Radiografia Industrial.
2.3.1 - ENSAIO DE TRAO
O ensaio de trao consiste em submeter uma pea ou corpo de prova a um esforo que
tende along-lo at a ruptura, desta forma, possvel conhecer como os materiais reagem aos
esforos ou cargas de trao, que so lidos na prpria mquina de ensaio ou atravs de um
computador acoplado que registra as cargas e as deformaes ocorridas, e quais os limites de
trao que suportam. Atravs deste ensaio, pode-se determinar a tenacidade de um material.
Pode-se afirmar que uma pea est submetida a esforos de trao, quando uma
carga normal F ( tem a direo do eixo da pea), atuar sobre a rea de seco transversal da
pea. Quando a carga atuar no sentido dirigido para o exterior da pea, a pea est
tracionada.
A
F F
FIGURA 2.2 - Pea tracionada.
s =FA
F
FIGURA 2.3 - Tenso de trao.
Como exemplo de peas tracionadas, tem-se as correias, os parafusos, os cabos de ao,
correntes. Esta tenso tambm denominada de tenso normal de trao. A carga normal F,
que atua na pea, origina nesta, uma tenso normal s (sigma), que determinada atravs da
relao entre a intensidade da carga aplicada F, e a rea de seo transversal da pea A.
-
14
onde:
ss - tenso normal [ N/mm2; MPa; ...]
F - fora normal ou axial [N; kN; ...]
A - rea da seco transversal da pea [m2; mm2; ...]
No Sistema Internacional, a fora expressa em Newtons (N), a rea em metros
quadrados (m2). A tenso (s) ser expressa, ento, em N/m2, unidade que denominada
Pascal (Pa). Na prtica, o Pascal torna-se uma medida muito pequena para tenso, ento usa-
se mltiplos desta unidade, que so 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 aplicao de uma fora axial de trao em um corpo de prova, produz uma
deformao neste corpo, embora muitas vezes no perceptvel a olho. Esta deformao
seguida de um aumento no seu comprimento com diminuio da rea da seco transversal,
conforme ilustra a figura abaixo. Antes do ensaio so medidas a rea de seo transversal
A0 do CP e a distncia L0 entre dois pontos marcados neste.
Lo
A0
a)
AfFF
Lf
b)
FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps o ensaio.
-
15
No ensaio de trao, o CP submetido a um carga normal F. A medida que este
carregamento aumenta, pode-se medir o aumento na distncia entre os pontos marcados, o
alongamento, e a reduo da rea na seco transversal, a estrico, at a ruptura do material.
O alongamento, cuja expresso matemtica D = -L Lf 0, geralmente confundido com a
deformao. A deformao longitudinal de um material, definida como: e =-L LL
f 0
0
.
onde:
e - deformao [mm/mm; mm/m; % ]
Lo - comprimento inicial do CP [mm, cm, ...]
Lf - comprimento final do CP [mm, cm, ...]
Embora a deformao uma razo do alongamento com o comprimento inicial, sendo
portanto adimensional, muito comum entre tcnicos a unidade mm/m pois d uma idia
rpida do alongamento de um corpo com 1 metro de comprimento.
H dois tipos de deformao que ocorrem quando um material submetido a um
esforo: a elstica e a plstica. A deformao elstica no permanente. Uma vez cessados os
esforos, o material volta a sua forma original. Esta afirmao tem carter macroscpico, visto
que ocorrem discordncias irreversveis aps a aplicao de uma carga.; A deformao
plstica permanente. Cessado os esforos, o material no volta a sua forma original.
2.3.1.1 - Diagrama tenso - deformao
Durante o ensaio de trao, as mquinas de ensaio realizam a relao F x D (fora x
alongamento) na qual ocorre variao da carga aplicada e conseqentemente o alongamento
(Lf - L0) do corpo de prova e se considerar que a rea da seo transversal invarivel, pode-
se fazer a razo da fora pela rea da seco transversal inicial (F
A0) e do alongamento pelo
comprimento inicial (L L
Lf 0
0
-), resultando o diagrama tenso - deformao (ss x ee). A0
rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...]
-
16
O diagrama tenso - deformao varia muito de material para material, e ainda, para
uma mesmo material podem ocorrer resultados diferentes devido a variao de temperatura do
corpo de prova e da velocidade da carga aplicada, e principalmente pela anisotropia. Entre os
diagramas s x e de vrios grupos de materiais possvel, no entanto, distinguir algumas
caractersticas comuns; elas nos levam a dividir os materiais em duas importantes categorias,
que so os materiais dteis e os materiais frgeis.
FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais atravs do diagrama ssx ee.
Os materiais dcteis, como o ao, alumnio, cobre, bronze, lato, nquel e outros, so
caracterizados por apresentarem escoamento temperaturas normais. O corpo de prova
submetido a carregamento crescente, e com isso seu comprimento aumenta, de incio lenta e
proporcionalmente ao carregamento. Desse modo, a parte inicial do diagrama uma linha reta
com grande coeficiente angular. Entretanto, quando atingido um valor crtico de tenso
(tenso de escoamento - sE ), o corpo de prova sofre uma grande deformao com pouco
aumento da carga aplicada. Quando o carregamento atinge um certo valor mximo, o dimetro
do CP comea a diminuir, devido a perda de resistncia local. A esse fenmeno dado o
nome de estrico:
Y =-
A A
Af 0
0
100
onde:
y - estrico [%]
A0 - rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...]
Af - rea da seco transversal final [mm2, cm2, ...]
-
17
Aps ter comeado a estrico, um carregamento mais baixo o suficiente para a
deformao do corpo de prova, at a sua ruptura. A tenso ssE correspondente ao incio do
escoamento chamada de tenso de escoamento do material; a tenso ssR correspondente a
carga mxima aplicada ao material conhecida como tenso de resistncia, e a tenso ssr
correspondente ao ponto de ruptura chamada tenso de ruptuta.
a) b)
FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura.
Materiais frgeis, como ferro fundido, vidro e pedra, so caracterizados por uma
ruptura que ocorre sem nenhuma mudana sensvel no modo de deformao do material.
Ento para os materiais frgeis no existe diferena entre tenso de resistncia e tenso de
ruptura. Alm disso, a deformao at a ruptura muito menor nos materiais frgeis do que
nos materiais dcteis. No h estrico nos materiais frgeis e a ruptura se d em uma
superfcie perpendicular ao carregamento.
-
18
a) b)
FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama ss x ee; b) aspecto da fratura.
2.3.1.2 - Propriedades mecnicas avaliadas
A figura abaixo, que representa um diagrama tenso - deformao de um material com
incluses no-metlicas (Fe3C, AlSi, ...) em aos e algumas ligas de alumnio, mostra algumas
propriedades significantes que so:
FIGURA 2.8 - diagrama ss x ee para ligas do tipo ao baixo carbono.
ssp - Tenso Limite de Proporcionalidade: Representa o valor mximo da tenso, abaixo do
qual o material obedece a lei de Hooke.
ssE - Tenso Limite de Escoamento: A partir deste ponto aumentam as deformaes sem que
se altere, praticamente, o valor da tenso. Quando se atinge o limite de escoamento, diz-se que
o material passa a escoar-se.
-
19
ssR - Tenso Limite de Resistncia: A tenso correspondente a este ponto recebe o nome de
limite de resistncia ou resistncia a trao, pois corresponde a mxima tenso atingida no
ensaio de trao.
ssr - Tenso de Ruptura: A tenso correspondente a este ponto recebe o nome de limite de
ruptura; a que corresponde a ruptura do corpo de prova.
Regio Elstica: O trecho da curva tenso - deformao, compreendido entre a origem e o
limite de proporcionalidade, recebe o nome de regio elstica.
Regio Plstica: Chama-se regio plstica o trecho compreendido entre o limite de
proporcionalidade e o ponto correspondente a ruptura do material.
A tenacidade e o mdulo de elasticidade longitudinal, geralmente representada pela
letra E, so duas outras propriedades mecnicas que podem ser tiradas deste diagrama
atravs de clculos. A tenacidade pode ser determinada atravs da rea da curva de tenso -
deformao com a abcissa (deformao), enquanto que o mdulo de elasticidade longitudinal
determinado atravs de: E tg= a . O mdulo de elasticidade longitudinal s vlido para a
regio que obedece a Lei de Hooke, ou seja, no regime elstico.
Lei de Hooke
No trecho inicial do diagrama da figura acima, a tenso s diretamente proporcional
deformao e e pode-se escrever: E =se
. Essa relao conhecida como Lei de Hooke, e
se deve ao matemtico ingls Robert Hooke (1.635-1.703). O coeficiente E chamado
mdulo de elasticidade longitudinal, ou mdulo de Young (cientista ingls, 1.773-1.829), que
determinado pela fora de atrao entre tomos dos materiais, isto , quando maior a atrao
entre tomos, maior o seu mdulo de elasticidade. Exemplos: Eao = 2,1 x 104 kgf/mm2,
Ealumnio = 0,7 x 104 kgf/mm2, etc. Esta propriedade tambm anisotrpica, pois depende do
material ser monocristalino, direo de crescimento do cristal, material, e no caso de
policristalino, a orientao e tamanho dos cristais (gros). A tabela abaixo mostra o mdulo de
elasticidade longitudinal de alguns materiais de engenharia.
-
20
Metal Mdulo deElasticidadeLongitudinal(kgf/mm2)
Liga Mdulo deElasticidadeLongitudinal(kgf/mm2)
Ferro, nquel, cobalto 21.000 Aos-carbono e aos-liga
21.000
Molibdnio,tungstnio
35.000 Aos inoxidveisaustenticos
19.600
Cobre 11.900 Ferro FundidoNodular
14.000
Alumnio 7.000 Bronzes e lates 7.700 - 11.900
Magnsio 4.550 Bronzes de manganse ao silcio
10.500
Zinco 9.800 Bronzes de alumnio 8.400 - 13.300
Zircnio 10.150 Ligas de alumnio 7.000 - 7.450
Estanho 4.200 Monel 13.000 - 18.200
Berlio 25.700 Hastelloy 18.900 - 21.500
smio 56.000 Invar (nquel-ferro) 14.000
Titnio 10.000 Inconel 16.000
Chumbo 1.750 Illium 18.700
Rdio 29.750 Ligas de titnio 11.200 - 12.100
Nibio 10.500 Ligas de magnsio 4.550
Ouro, prata 7.850 Ligas de estanho 5.100 - 5.400
Platina 18.800 Ligas de chumbo 1.400 - 2.950
Sendo E =se
e s e= E e tambm que s =FA
e e =-L LL
f 0
0
, pode-se tirar a
seguinte expresso para clculos de alongamento no regime elstico: D =
F LA
0
0 E. O
alongamento ser positivo, quando a carga aplicada tracionar a pea, e ser negativo quando a
carga aplicada comprimir a pea.
+DL0
Lf
-D
L0
Lf
Pea tracionada Pea comprimida
FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso.
-
21
A lei de Hooke, em toda a sua amplitude, abrange tambm a deformao transversal
que, em caso de CP cilndrico, dado por: e t =-D DD
f 0
0
, onde D a medida nominal do
dimetro do corpo de prova submetida a ao de carga normal. O coeficiente de Poisson (nn)
determinado pela relao nee
=t
. Observe que o coeficiente de poisson ter um valor negativo
tanto para a trao quanto para a compresso em virtude dos sinais contrrios da deformao
longitudinal e deformao transversal.
A curva de tenso - deformao descrita acima chamada de curva de engenharia,
onde pode-se tirar valores apropriados at o momento em que se atinge a carga mxima.
Tendo em vista que a rea da seco transversal diminui medida que amplia-se a carga no
corpo de prova, e que a partir do momento que se atinge a carga mxima, comea ocorrer
fratura no sentido de dentro para fora, a rea da seco transversal comea a reduzir-se de
forma brusca. Como a tenso a razo entre fora e rea da seco transversal, ocorre na
realidade um aumento de tenso que obedece uma funo logartima. A figura abaixo
representa esta considerao da determinao da curva real de tenso.
e
s Curva real
Curva de engenharia
FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia.
A tenso real, sreal , definida por: s real =FA
, onde F e A so as foras e reas da
seco transversal em cada instante. Da mesma forma, pode-se definir a deformao
longitudinal real a cada instante dado por: e real LL d
= =
LL
LL0 00
ln . Supondo que a deformao
-
22
ao longo do corpo de prova seja uniforme e admitindo-se volume constante pode-se
demonstrar que: ( )e ereal = ln1+ ; ( )s s ereal = +1 .
2.3.1.3 - Corpos de prova
O ensaio de trao feito em corpos de prova com caractersticas especificadas de
acordo com normas tcnicas. Geralmente utilizam-se corpos de prova de seo circular ou de
seo retangular. Estas condies dependem dos acessrios da mquina de ensaio de trao e
tambm dependem da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como
mostram as figuras a seguir.
FIGURA 2.11 - Mquina de ensaio e registrador.
-
23
FIGURA 2.12 - Corpos de prova.
A parte til do corpo de prova, identificada no desenho anterior por L0, a regio onde
so feitas as medidas das propriedades mecnicas do material. As cabeas so as regies
extremas, que servem para fixar o corpo de prova mquina de modo que a fora de trao
atuante seja axial. Devem ter seo maior do que a parte til para que a ruptura do corpo de
prova no ocorra nelas. Suas dimenses e formas dependem do tipo de fixao mquina. Os
tipos de fixao mais comuns so: cunha, rosca, flange.
FIGURA 2.13 - Tipos de fixao.
Entre as cabeas e a parte til h um raio de concordncia para evitar que a ruptura
ocorra fora da parte til do corpo de prova. O comprimento da parte til dos corpos de prova
utilizados nos ensaios de trao deve corresponder a 5 vezes o dimetro da seo da parte til.
Sempre que possvel um corpo de prova deve ter 10 mm de dimetro e 50 mm de
comprimento inicial. No sendo possvel a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se
-
24
adotar um corpo com dimenses proporcionais a essas medidas. Corpos de prova com seo
retangular so geralmente retirados de placas, chapas ou lminas. Suas dimenses e
tolerncias de usinagem so normalizadas pela ISO/ R377 enquanto no existir norma
brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR - 6152, dez./1980) somente indica que os
corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfcie e ausncia 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 resistncia trao. Ao efetuar o ensaio de trao
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 no representam as
propriedades nem de um nem de outro material, pois umas so afetadas pelas outras. O limite
de resistncia trao tambm afetado por esta interao, mas determinado mesmo assim
para finalidades prticas.
Para preparar o corpo de prova para o ensaio de trao deve-se medir o dimetro do
corpo de prova em vrios pontos na parte til, utilizando um micrmetro, e calcular a mdia.
Por fim, deve-se traar as divises no comprimento til. Em um corpo de prova de 50 mm de
comprimento, as marcaes devem ser feitas de 5 em 5 mm.
FIGURA 2.14 - Preparao de corpo de prova.
-
25
Aps o ensaio, junta-se da melhor forma possvel, as duas partes do corpo de prova.
Procura-se o risco mais prximo da ruptura e conta-se a metade das divises (n/2) para cada
lado. Mede-se ento o comprimento final, que corresponde distncia entre os dois externos
dessa contagem. Este o mtodo para determinar o comprimento final quando a ruptura
ocorre no centro da parte til do corpo de prova.
FIGURA 2.15 - Ruptura do corpo de prova no centro.
Quando a ruptura ocorre fora do centro, de modo a no permitir a contagem de n/2
divises de cada lado, deve-se adotar o seguinte procedimento normalizado:
Toma-se o risco mais prximo da ruptura.
Conta-se n/2 divises de um dos lados.
Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas divises forem necessrias para
completar as n/2 divises.
A medida de Lf ser a somatria de L+ L, conforme mostra a figura a seguir.
FIGURA 2.16 - Ruptura do corpo de prova fora de centro.
-
26
2.3.1.4 - Limite de escoamento: valores convencionais
O limite de escoamento , em algumas situaes, alternativo ao limite elstico, pois
tambm delimita o incio da deformao permanente (um pouco acima). Ele obtido
verificando-se a parada do ponteiro na escala da fora durante o ensaio e o patamar formado
no grfico exibido pela mquina. Com esse dado possvel calcular o limite de escoamento
do material. Entretanto, vrios metais no apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que
ocorre ele no pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rpido e no
possvel detect-lo. Por essas razes, foram convencionados alguns valores para determinar
este limite. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores
de uso mais freqente so:
n = 0,2%, para metais e ligas metlicas em geral;
n = 0,1%, para aos ou ligas no ferrosas mais duras;
n = 0,01%. para aos-mola e ferros fundidos.
Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo
traado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tenso-deformao, a partir do ponto
n. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estar determinado, como
mostra a figura abaixo.
FIGURA 2.17 - Determinao do Limite de Escoamento.
-
27
2.3.2 - ENSAIO DE COMPRESSO
O ensaio de compresso consiste em submeter uma pea ou corpo de prova a um
esforo que tende a encurt-lo at a ruptura, desta forma, possvel conhecer como os
materiais reagem aos esforos ou cargas de compresso. O ensaio de compresso o mais
indicado para avaliar essas caractersticas, principalmente quando se trata de materiais frgeis,
como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. tambm recomendado para produtos
acabados, como molas e tubos.
F
A
F
Fs =
FA
FIGURA 2.18 - Esquema da compresso.
No se costuma utilizar ensaios de compresso para os metais, em virtude que a
resistncia compresso aproximadamente igual a da trao. Nos ensaios de compresso, os
corpos de prova so submetidos a uma fora axial para dentro, distribuda de modo uniforme
em toda a seo transversal do corpo de prova. Do mesmo modo que o ensaio de trao, o
ensaio de compresso pode ser executado na mquina universal de ensaios, com a adaptao
de duas placas lisas uma fixa e outra mvel. E entre elas que o corpo de prova apoiado e
mantido firme durante a compresso. As relaes matemticas para a trao valem tambm
para a compresso, isso significa que um corpo submetido a compresso tambm sofre uma
deformao elstica seguido de uma deformao plstica. Nos ensaios de compresso, a lei de
Hooke tambm vale para a fase elstica da deformao, e possvel determinar o mdulo de
elasticidade para diferentes materiais.
-
28
2.3.2.1 - Limitaes do ensaio de compresso
O ensaio de compresso no muito utilizado para os metais em razo das
dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numricos
so de difcil verificao, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio
de compresso o atrito entre o corpo de prova e as placas da mquina de ensaio.
a) b)
FIGURA 2.19 - Ensaio de compresso. a) normal; b) flambagem.
A deformao lateral do corpo de prova barrada pelo atrito entre as superfcies do
corpo de prova e da mquina. Para diminuir esse problema, necessrio revestir as faces
superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc).
Outro problema a possvel ocorrncia de flambagem, isto , encurvamento do corpo de
prova. Isso decorre da instabilidade na compresso do metal dctil. Dependendo das formas
de fixao do corpo de prova, h diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a
figura acima.
A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em
relao ao dimetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material,
necessrio limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor
de seu dimetro. Em alguns materiais muito dcteis esta relao pode chegar a 1:1 (um por
um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem o de garantir o perfeito
paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compresso. Deve-se
-
29
centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforo de compresso
se distribua uniformemente.
2.3.2.2 - Ensaio de compresso em materiais dcteis
Nos materiais dcteis a compresso vai provocando uma deformao lateral
aprecivel. Essa deformao lateral prossegue com o ensaio at o corpo de prova se
transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. Em virtude disto que o ensaio de
compresso de materiais dcteis fornece apenas as propriedades mecnicas referentes zona
elstica. As propriedades mecnicas mais avaliadas por meio do ensaio so: limite de
proporcionalidade, limite de escoamento e mdulo de elasticidade.
FIGURA 2.20 - Ensaio de compresso em materiais dcteis.
2.3.2.3 - Ensaio de compresso diametral
Para materiais com elevado mdulo de elasticidade, que o caso de muitos materiais
metlicos e cermicos, a teoria mais conhecida a teoria das tenses de Hertz ou tenses de
contato, amplamente utilizada no dimensionamento de elementos de mquinas, onde temos
situaes estabelecendo superfcies planas e curvas em contato, pressionadas umas contra
outras, resultando um estado triaxial de tenses. Quando isto ocorre, o ponto ou linha de
contato passa a ser efetivamente a rea de contato, desenvolvendo-se nestas regies tenses
tridimensionais, como, por exemplo, tenses de contato entre uma roda e um trilho, ou entre
duas rodas dentadas. A figura abaixo mostra o esquema do mtodo do Ensaio de Compresso
Diametral que baseado nas normas brasileiras ABNT MB-212/58 e NBR-7222/83.
-
30
P P
PP
LD
FIGURA 2.21 - Esquema de esforos aplicados em um corpo de prova cilndrico de
dimenses D e L.
A medida da fora de ruptura nos permite determinar a tenso limite de resistncia
trao simples, ou seja, a tenso de trao de ruptura, de acordo com a equao: sp
=
2 PD L
,
onde: s a tenso limite de resistncia trao simples [MPa], P a carga de ruptura [N], D
o dimetro [mm] do corpo de prova e L [mm] a espessura do corpo de prova.
As distribuies de tenses esto representadas na figura abaixo.
P
P
FIGURA 2.22 - Representao esquemtica da distribuio das tenses de compresso e
de trao.
Ensaios de achatamento de tubos Consiste em colocar uma amostra de um segmento de
tubo deitada entre as placas da mquina de compresso e aplicar carga at achatar a amostra.
O ensaio aplicado o de compresso diametral. A distncia final entre as placas, que varia
conforme a dimenso do tubo, deve ser registrada. O resultado avaliado pelo aparecimento
ou no de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio
-
31
permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordo de solda do
mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dctil ser o material.
Ensaios em molas Para determinar a constante elstica de uma mola, ou para verificar sua
resistncia, faz-se o ensaio de compresso. Para determinar a constante da mola, constri-se
um grfico tenso-deformao, obtendo-se um coeficiente angular que a constante da mola,
ou seja, o mdulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistncia da mola,
aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola aps cada carga.
FIGURA 2.23 - Ensaios em molas.
Exerccios resolvidos
1) Um ao de baixo carbono (SAE 1010) tem como tenso de ruptura 40 Kgf/mm2.Considerando que o corpo de prova tem dimetro nominal de 10 mm, qual ser a fora deruptura?
a) Dados:
sr = 40 Kgf/mm2
D = 10 mm
Fr = ?
b) Frmulas:
s =FA
AD
=p 2
4
c) Soluo:
[ ]A
D= =
=
p p2 2
4 4785
10 mm mm2,
s s= = FA
F A
F A= = s 40Kgfmm
78,5 mm22
F = 3.140 Kgf
-
32
2) Considerando que um corpo de prova de ao SAE 1070 tem um dimetro nominal de 15mm e a fora com que o material se rompeu foi de 16.570 Kgf. Qual a tenso de traode ruptura (em MPa) que este ao apresenta?
a) Dados:
sr = ?
D = 15 mm
Fr = 7.800 Kgf
b) Frmulas:
s =FA
AD
=p 2
4
c) Soluo:
[ ]A
D= =
=
p p2 2
4 4176625
15 mm mm2,
s = = =FA
16570 Kgf176,625 mm
93 Kgfmm2 2
,8
s = =93 Kgfmm
920,3 MPa2,8
3) Calcule a deformao sofrida por um corpo de prova de 15 cm de comprimento e que apso ensaio de trao apresentou 16 cm de comprimento.
a) Dados:
lo = 15 cm
lf = 16 cm
e = ?
b) Frmulas:
e =-l l
l
f o
o
c) Soluo:
e =-l l
l
f o
o
e =-
=-
= -l l
l
f o
o
16 1515
667102,
4) Uma liga de alumnio possui um Mdulo 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 dimetro sem que ocorradeformao permanente?
-
33
a) Dados:
se = 28 Kgf/mm2
D = 1,74 mm
Fe = 7.800 Kgf
b) Frmulas:
s =FA
AD
=p 2
4
c) Soluo:
( )A
D=
=
=
p p22
4 41,74 mm
2,377 mm2
s s= = = FA
F A 28Kgfmm
2,377 mm22
F A= =s 66,54 Kgf
Se uma carga de 44 kgf suportada por um fio de 3,05 mm de dimetro, qual ser adeformao?
a) Dados:
E = 7.040 Kgf/mm2
e = ?
s = ?
F = 44 Kgf
D = 3,05 mm
b) Frmulas:
E =se
AD
=p 2
4
s =FA
s e= E
c) Soluo:
-
34
( )A
D= =
=
p p22
4 43,05 mm
7,30 mm2
s = = =FA
44 Kgf7,30 mm
6,02 Kgfmm2 2
EE
= =se
es
es
= = = -E
6,02 Kgfmm
7.040 Kgfmm
2
2
855104,
Exerccios propostos
1) Explique o comportamento de materiais dteis e frgeis utilizando diagrama s x e.2) Mostre esquematicamente os estgios na formao taa-cone e explique resumidamente.3) Por que se deve garantir o paralelismo entre as placas da mquina de ensaio e limitar o
comprimento dos corpos de prova nos ensaios de compresso?4) O que tenacidade?
5) Por qu se faz ensaios de materiais?
6) Cite 4 tipos de ensaios destrutivos!
7) O que Mdulo de Elasticidade Longitudinal?8) O Que limite de escoamento?9) O que deformao plstica?
10) Como se mede a tenacidade em um diagrama s x e?11) O que flambagem?12) Um ao de mdio carbono que apresenta o Mdulo de Elasticidade Longitudinal de
21.000 Kgf/mm2 e Tenso de escoamento de 31,5 Kgf/mm2, qual a mximadeformao que o material pode apresentar obedecendo o regime elstico?
Resposta: e = 0,15%13) Qual a tenso limite de resistncia compresso de um material que tem 400 mm2 de
rea da seo transversal e se rompeu com uma carga de 760 KN?
Resposta: s = 1.900MPa
14) Uma barra de alumnio de possui uma seco transversal quadrada com 60 mm de lado, oseu comprimento de 0,8m. A carga axial aplicada na barra de 30 kN. Determine o seualongamento. Eal = 0,7x10
5 MPa.
Resposta: D = 0,095mm
-
35
2.3.3 - ENSAIO DE FLEXO
O ensaio de flexo geralmente feito de modo a reproduzir, no laboratrio, as
condies da prtica. Desse modo, possvel criar vrias maneiras de se efetuar esse ensaio,
desde que a pea possa ser adaptada diretamente em uma mquina comum. Muitas vezes, so
feitos ensaios de flexo em produtos contendo partes soldadas ou unidas por qualquer tipo de
juno, e a carga aplicada prximo extremidade de uma das partes at que haja inicio de
ruptura na juno, ficando a outra extremidade presa por meio de dispositivos; assim, pode-se
verificar at que esforo de flexo a pea pode sofrer sem se romper. Materiais frgeis como
ferro fundido cinzento, aos-ferramenta ou carbonetos sinterizados so frequentemente
submetidos a um tipo de ensaio de dobramento, denominado dobramento transversal, que
mede sua resistncia e ductilidade (alm da possibilidade de se avaliar tambm a tenacidade e
resilincia desses materiais). Entretanto, sempre que possvel, o ensaio de trao tambm deve
ser realizado, ficando o dobramento transversal como uma espcie de ensaio substituto.
Quanto mais duro for o material, maior aplicao ter esse ensaio, porque a facilidade de
execuo torna-o mais rpido que a usinagem de um corpo de prova para ensaio de trao. No
entanto, para materiais muito frgeis, os resultados obtidos so muito divergentes, variando
at 25% de modo que, para esses casos, deve-se fazer sempre vrios ensaios para se
estabelecer um valor mdio.
2.3.3.1 - Significado de flexo
Flexo a solicitao que tende a modificar a direo do eixo geomtrico de uma pea.
A flexo de uma barra pode ser obtida nas seguintes condies:
a barra pode ter suas duas extremidades engastadas;
as duas apoiadas;
uma engastada e outra apoiada;
em balano;
-
36
Por outro lado, a carga defletora pode ser:
concentrada ou distribuda;
estar aplicada numa das extremidades;
no meio ou em um ponto qualquer.
Alm disso, a barra pode ser vertical ou horizontal. Os casos mais simples so:
flexo plana circular;
flexo plana normal.
Quando se tem uma barra de seco retangular de comprimento L, altura a, e
largura b da seco normal, e no centro est aplicado uma fora cortante F, conforme
indica a figura abaixo. Os elementos internos da barra estaro sujeitos a um sistema de tenses
de compresso e trao, mas h um plano em que no h tenso, ou seja, tenso resultante
zero. Este plano geralmente denominado de linha neutra.
F
F FFFFF Ff
FIGURA 2.24 - Flexo em uma barra de seco retangular.
-
37
FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo.
A tenso fletora dada pela expresso matemtica s = M c
If
, onde: s a tenso
fletora (tenso normal de compresso ou de trao); Mf o momento fletor; I o momento de
inrcia da seco transversal; c a distncia da linha neutra a fibra mais afastada. O sinal
positivo e negativo corresponde as tenses de trao e de compresso respectivamente.
Na linha neutra, vista sob um plano, a tenso resultante zero.
No caso de flexo pura, como o caso descrito acima, a linha neutra torna a forma de
um arco de circunferncia em circular plana, onde cada seco infinitesimal da barra est em
equilbrio sob a ao de momentos fletores iguais e opostos, de mdulo Mf. a flecha f do
arco de circunferncia (deflexo da barra) dada pela expresso matemtica: fE I
=
148
F L,
onde E o mdulo de elasticidade longitudinal ou mdulo de Young, I o mdulo de
flexo plana ou momento de inrcia, que cada perfil tem seu valor prprio. Quanto maior for o
momento de inrcia da seco retangular menor ser a flexo, para um dado material e um
determinado momento fletor. Isto significa que a posio da viga tem grande influncia na
resistncia a flexo. A figura abaixo mostra o caso da flexo plana normal produzida por uma
fora F aplicada na extremidade livre de uma barra de balano, com uma extremidade
engastada.
-
38
FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma fora Faplicada em sua extremidade.
Neste caso, no se tem uma flexo pura, mas uma combinao de flexo e
cisalhamento, devido reao do engaste rgido que, no equilbrio, equivale a uma fora F,
igual e oposta a F, mais um momento binrio oposto ao gerado pelo par FF. Existe ainda um
caso de flexo, a flanbagem, muito freqente e importante no clculo de estruturas metlicas e
concreto armado, que aquele provocado por uma carga vertical aplicada numa barra vertical,
quando esta foge levemente de sua posio axial. O equilbrio, que inicialmente era
conseguido por compresso axial da barra, se rompe quando o esforo aplicado foge
ligeiramente da rea da seco retangular, produzindo uma flexo crescente e quase que
incontrolvel.
Em primeira deformao e dentro de um campo limitado de deformaes, os corpos
slidos reais obedecem lei de Hooke. As deformaes perfeitamente elsticas em geral s
ocorrem no incio do processo. Com o tempo, o esforo e a deformao atingem valores
assintticos, podendo haver a ruptura do material, a fadiga do mesmo, ou a variao da sua
tenso elstica, em que, aps a aplicao sucessiva de esforos de trao ou compresso,
permanece uma deformao residual; o efeito de esfoliao ou clivagem em placas em
determinadas direes e em certos materiais cristalinos, como, por exemplo, a calcita e a
mica. No dimensionamento das peas flexo admitem-se apenas deformaes elsticas. A
tenso de trabalho fixada pelo fator de segurana ou pela tenso admissvel. A frmula da
tenso aplicada nas seces onde pode haver ruptura do material, ou seja , nas regies que se
tem momento fletor mximo que produzir tenses de compresso e de trao mximas, a
qual poder ser superior a tenso de resistncia do material. O momento de inrcia de uma
-
39
seco retangular segundo um sistema de eixo carteziano YZ :I y =a b3
12 (em relao ao
eixo Y) e I z =b a3
12 (em relao ao eixo Z). Para uma seco circular, o momento de inrcia
em relao ao eixoY ou Z : I =p D4
64, onde D o dimetro da seco circular.
2.3.3.2 - Mtodo do ensaio de flexo
A resistncia flexo definida como a tenso mxima de trao na ruptura e
denominado freqentemente como mdulo de ruptura, MOR , do ingls modulus of
rupture. A resistncia a flexo determinada atravs de frmulas acima descritas e envolve
clculos de resistncia dos materiais para a determinao do momento fletor mximo. H
atualmente dois ensaios empregados: o mtodo de ensaio a trs pontos, e o mtodo de ensaio
de quatro pontos. As figuras abaixo esquematizam estes mtodos.
F
L
Diagrama de momento fletor
Distribuio de cargas
Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR=
32
F Lb a2
b
a
FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos.
-
40
F
L
Diagrama de momento fletor
Distribuio de cargas
F
dd
Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR=
3
F db a2
b
a
FIGURA 2.28 - Mtodo de flexo a quatro pontos.
O ensaio flexo feito, geralmente, com corpo de prova constitudo por uma barra de
seco circular ou retangular para facilitar os clculos, com um comprimento especificado. O
ensaio consiste em apoiar o corpo de prova sob dois apoios distanciados entre si de uma
distancia L, sendo a carga de dobramento ou de flexo aplicada no centro do corpo de prova
a uma distncia L/2 de cada apoio (mtodo de ensaio a trs pontos). A carga deve ser elevada
lentamente at romper o corpo de prova. Desse ensaio, pode-se tambm retirar outras
propriedades do material, como o mdulo de ruptura MOR ou resistncia ao dobramento,
que o valor mximo da tenso de trao ou compresso nas fibras extremas do corpo de
prova durante o ensaio de flexo (ou toro). Se a ruptura ocorrer dentro da zona elstica do
material, MOR representar, pois, a tenso mxima na fibra externa; caso ocorra na zona
plstica, o valor obtido para MOR maior que a tenso mxima realmente atingida, porque a
expresso determinada para uma distribuio linear (elstica) de tenso entre o eixo da barra
e as fibras externas. O valor do mdulo de ruptura tambm pode ser relacionado com o limite
de resistncia do material.
-
41
Outra propriedade possvel de ser medida o mdulo de elasticidade do material,
isolando E da equao:fE I
=
148
F L, onde f (deflexo) medida para cada carga F
aplicada, deve ser corrigida tambm em caso de seco circular devido a excentricidade
possvel do dimetro do corpo de prova. Nesse caso, ento, preciso medir a deflexo da
barra, com o acrscimo de carga, com um micrmetro ou outro medidor preciso de
deformao.
2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA
A propriedade mecnica denominada dureza amplamente utilizada na especificao
de materiais, nos estudos e pesquisa mecnicas e metalrgicas e na comparao de diversos
materiais. Entretanto, o conceito de dureza no tm um mesmo significado para todas a
pessoas que tratam com essa propriedade. O conceito divergente da dureza depende da
experincia de cada um ao estudar o assunto. Para um metalurgista, dureza significa a
resistncia deformao plstica permanente; um engenheiro define a dureza como a
resistncia penetrao de uma material duro no outro; para um projetista, a dureza
considerada uma base de medida para o conhecimento da resistncia e do tratamento trmico
ou mecnico de um metal e da sua resistncia ao corte do metal; e para um mineralogista, a
dureza a resistncia ao riscamento que um material pode fazer no outro. Assim, no
possvel encontrar uma definio nica de dureza que englobe todos os conceitos acima
mencionados, mesmo porque para cada um desses sgnificados de dureza, existem um ou mais
tipos de medidas adequados. Sob esse ponto de vista, pode-se dividir o ensaio de dureza em
trs tipos principais, que dependem da maneira com que o ensaio conduzido que so: por
penetrao; por choque e por riscamento. O riscamento raramente usado para os metais,
mas bastante utilizado em cermicos. Com esse tipo de medida de dureza, vrios minerais e
outros materiais so relacionados quanto possibilidade de um riscar o outro. A escala de
dureza mais antiga para esse tipo a escala de Mohs (1.822), que consiste em uma tabela de
10 minerais padres arranjados na ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo
mineral seguinte. Assim, verifica-se que o talco (1) - tem dureza Mohs (isto , pode ser
-
42
riscado por todos os outros seguintes), seguindo-se a gipsita (2), calcita (3), fluorita (4),
apatita (5), ortoclsio (6), quartzo (7), topzio (8), safira (9) e diamante (10). Desse modo, por
exemplo, o quartzo risca o ortoclsio e riscado pelo topzio. O cobre recozido tem dureza
Mohs 3, pois ele risca a gipsita e riscado pela fluorita; a martensita tem dureza Mohs
aproximadamente igual a 7, e assim por diante.
1 talco Mg3H2Si4O122 gipsita CaSO4 . 2H2O
3 calcita CaCO34 fluorita CaF25 apatita CaF (PO4)36 ortoclsio KAISio47 quartzo Sio28 topzio A12F2SiO29 corinto A12 O310 diamante C
Tabela de escala de dureza Mohs.
Para os metais, essa escala no conveniente, porque os seus intervalos no so
propriamente espaados para ele, principalmente na regio de altas durezas e a maioria dos
metais fica entre as durezas Mohs 4 e 8, sendo que pequenas diferenas de dureza no so
precisamente acusadas por esse mtodo.
Martens (1.890) definiu dureza por risco como a carga em gramas-fora sob a qual um
diamante de ngulo de 90 produziria um risco de 0,01 mm de largura numa material
qualquer. Hanpkins (1.923) alterou o ngulo acima para uma forma em V com ngulo
podendo variar entre 72 e 90 e o modo de medir a dureza, como sendo o quociente entre a
carga menos uma constante que dependeria do ngulo e o quadrado da largura obtida menos
esses valores medidos em gramas-fora e milmetros. 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 a
-
43
microdureza Bierbaum por risco feito com um diamante de formato igual a um canto de cubo,
com um ngulo de contato de cerca de 35 e com uma carga igual a 3 gramas-fora na
superfcie polida e atacada de um metal. Mede-se por meio de um microscpio a dureza,
lendo-se a largura do risco, conforme a frmula K = 104 / l, onde K a dureza Bierbaum e l
a largura medida em mcrons.
Esses mtodos seriam teis para a medio da dureza relativa de microconstituintes de
uma liga metlica, mas no so mtodos de medida precisa ou de boa reproduo, sendo mais
usados no ramo da Mineralogia.
Os dois primeiros tipos de dureza (por penetrao e por choque) so mais usados no
ramos da Metalurgia e da Mecnica, sendo que a dureza por penetrao a mais utilizada e
citada nas especificaes tcnicas. Sero vistos com mais detalhes as durezas por penetrao
Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop e Meyer e a dureza por choque Shore (escleroscpica).
2.3.4.1 - Dureza Brinell
A dureza por penetrao, proposta por J. A. Brinell em 1.900, denominada dureza
Brinell e simbolizada por HB, o tipo de dureza mais usado at os dias de hoje na
Engenharia. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao,
de dimetro D, sobre a superfcie plana, polida e limpa de um metal atravs de uma carga Q
durante um tempo t. Essa compresso provocar uma impresso permanente no metal com o
formato de uma calota esfrica, com um dimetro d, o qual medido por intermdio de um
micrmetro ptico (microscpio ou lupa graduados), depois de removida a carga. O valor de d
deve ser tomado como mdia de duas leituras feitas a 90 uma da outra. A dureza Brinell
definida, em N/mm (ou kgf/mm), como o quociente entre a carga aplicada pela rea de
contato (rea superficial), S, a qual relacionada com os valores D e d, conforme a expresso:
-
44
)(
2. 22 dDDD
QpD
QSQ
HBC --
===pp
Sendo p a profundidade da impresso.
Inicialmente J. A. Brinell props uma carga, Q, igual a 3.000 kgf e uma esfera de ao
com 10 mm de dimetro e as tabelas existentes, que fornecem diretamente a dureza Brinell
calculada pela equao acima para cada valor de d, so na maioria baseadas nesses dois
valores de Q e D. Entretanto, para metais mais moles, a carga pode ser diminuda para evitar
uma impresso muito grande ou profunda e, para peas muito pequenas, pode-se tambm
diminuir o valor de D, a fim de que a impresso no fique muito perto das bordas do corpo de
prova. Essa alteraes em Q e em D devem ser feitas obedecendo-se um certo critrio, que
devero obedecer aos mtodos de ensaio existentes. Para metais excessivamente duros (HB
maior que 500kgf/mm), substitui-se a esfera de ao por esfera carboneto de tungstnio para
minimizar a distoro da esfera, o que acarretaria em valores falsos para d e, portanto, para
HB. O tempo, t, geralmente de 30 segundos, conforme as normas, mas poder ser aumentado
para at 60 segundos, como no caso de metais de baixo ponto de fuso, como por exemplo o
chumbo e suas ligas (HB300).
A unidade N/mm ou kgf/mm, que deveria ser sempre colocada aps o valor de HB,
pode ser omitida, uma vez que a dureza Brinell no um conceito fsico satisfatrio, porque a
equao que fornece a dureza Brinell no leva em considerao o valor mdio da presso
sobre toda a superfcie da impresso, que o que realmente deveria ser observado. A
localizao de uma impresso Brinell deve ser tal que mantenha um afastamento das bordas
do corpo de prova de no mnimo duas vezes e meia o dimetro, d, obtido, para evitar, em
-
45
ambos os casos, degeneraes laterais e de profundidade, falseando o resultado. A distncia
ente duas impresses Brinell deve ser no mnimo igual a 5d.
A pea a ser ensaiada deve estar muito bem apoiada, para se evitar algum
deslocamento quando for aplicada a carga. Caso haja alguma movimentao da pea durante e
ensaio, este fica invalidado. Esse procedimento vale tambm para outros tipos de dureza, que
sero descritos mais adiante. A limitao do uso da carga de 3.000 kgf com esfera de 10 mm
de dimetro proposta por Brinell pode ser contornada, considerando que se duas impresses
feitas com cargas e esferas diferentes fores semelhantes, os ngulos f, que o centro das esferas
faz com a impresso, so iguais, isto :
sendD
dD
ctef2
1
1
2
2
= = =
FIGURA 2.29 - ngulo ff nas impresses Brinell .
Assim, para materiais homogneos o uso de esferas de dimetros diferentes e com
cargas variveis permite obter o mesmo valor da dureza, desde que a relao Q/D, fator de
carga, seja constante. Estudos de Meyer, verificou-se que os valores de dureza Brinell obtidos
com diversas Q variavam muito pouco, desde que o dimetro, d, da impresso ficasse no
intervalo de 0,25d-0,5d (sendo considerada a impresso ideal se o valor de d ficar na mdia
-
46
entre esse dois valores), isto , para obter um dimetro de impresso dentro do intervalo acima
citado, deve-se manter a relao entre a carga Q e o quadrado do dimetro da esfera do
penetrador D2. Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de carga de acordo com a faixa
de dureza e o tipo de material. A tabela abaixo mostra os principais fatores de carga utilizados
e as respectivas faixas de dureza e indicaes. As esferas geralmente usadas (esferas padres)
tm dimetros de 1, 2, 5 e 10 mm e os valores fixados para a relao so:
Q/D DUREZA (HB) MATERIAL
30 90 - 415 Aos e ferros fundidos
10 30 - 140 Cobre e alumnio (ligas duras)
5 15 - 70 Cobre e alumnio (ligas moles)
2,5 at 30 Chumbo, estanho, antimnio
Desse modo, obtm-se o valor da carga necessria, isto , no caso da relao Q/D =
30, com esfera de 5 mm, deve-se aplicar uma carga de 750 kgf durante 30 segundos e
analogamente para os outros casos. Em todos os casos, porm, ao ser fornecido um valor de
dureza Brinell, deve-se mencionar qual
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