Universidade do Vale do ItajaCampus VII - So Jos UNIVALI Direo do Centro de Educao Superior

PROCESSOS DE FABRICAO IUNIDADE 1

Curso de Engenharia Industrial MecnicaProf. Dr. Eng. Cludio Roberto Losekann AGOSTO/2001

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 ...................................................................................................................... 132.3.1.1 - 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............................................................................................................ 272.3.2.1 - 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 ...................................................................................................................... 352.3.3.1 - Significado de flexo ..................................................................................................................................35 2.3.3.2 - Mtodo do ensaio de flexo ........................................................................................................................39

2.3.4 - ENSAIO DE DUREZA...................................................................................................................... 412.3.4.1 - 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

II

2.3.4.6 - Dureza Shore ..............................................................................................................................................60 2.3.4.7 -Consideraes finais ....................................................................................................................................61

2.3.5 - ENSAIO DE IMPACTO .................................................................................................................... 652.3.5.1 - Descrio do Ensaio de Impacto.................................................................................................................67

2.3.6 - ENSAIOS METALOGRFICOS ....................................................................................................... 762.3.6.1 - 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 ........................................................................................................................................ 883.2.1.1 - 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 ..................................................................................................................................... 953.2.2.1 -Tipos de traado...........................................................................................................................................95 3.2.2.2. - Materiais de traagem ................................................................................................................................96

3.2.3 - SERRAMENTO ............................................................................................................................... 100 3.2.4 - FURAO ...................................................................................................................................... 1023.2.4.1 - 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 .............................................................................................................................. 1093.2.5.1 - 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 III

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

IV

NDICE DE FIGURASFIGURA 1.1 - Esquema dos processos de fabricao no contexto atual. FIGURA 1.2 - Extruso de cermica e Injeo de plstico FIGURA 1.3 - Fundio em cera perdida. FIGURA 1.4 - Metalurgia do p. FIGURA 2.1 - Equipamentos de ensaios mecnicos. a) Mquina de ensaio universal; b) Durmetro. FIGURA 2.2 - Pea tracionada. FIGURA 2.3 - Tenso de trao. FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps o ensaio. FIGURA 2.5 - Comportamento dos materiais atravs do diagrama x . FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama x ; b) aspecto da fratura. FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama x ; b) aspecto da fratura. FIGURA 2.8 - diagrama x para ligas do tipo ao baixo carbono. FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso. FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia. FIGURA 2.11 - Mquina de ensaio e registrador. FIGURA 2.12 - Corpos de prova. FIGURA 2.13 - Tipos de fixao. FIGURA 2.14 - Preparao de corpo de prova. FIGURA 2.15 - Ruptura do corpo de prova no centro. FIGURA 2.16 - Ruptura do corpo de prova fora de centro. FIGURA 2.17 - Determinao do Limite de Escoamento. FIGURA 2.18 - Esquema da compresso. FIGURA 2.19 - Ensaio de compresso. a) normal; b) flambagem. FIGURA 2.20 - Ensaio de compresso em materiais dcteis. FIGURA 2.21 - Esquema de esforos aplicados em um corpo de prova cilndrico de dimenses D e L. FIGURA 2.22 - Representao esquemtica da distribuio das tenses de compresso e de trao. FIGURA 2.23 - Ensaios em molas. 8) O Que limite de escoamento? FIGURA 2.24 - Flexo em uma barra de seco retangular. FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo. 3 4 5 7 11 13 13 14 16 17 18 18 20 21 22 23 23 24 25 25 26 27 28 29 30 30 31 34 36 37V

FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma fora F aplicada em sua extremidade. FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos. FIGURA 2.28 - Mtodo de flexo a quatro pontos. FIGURA 2.29 - ngulo nas impresses Brinell . FIGURA 2.30 - Penetradores de Dureza Rockwell . FIGURA 2.31 - Indicador analgico . FIGURA 2.32 - Esquema da seqncia de operaes . FIGURA 2.33 - Aspectos da fratura . FIGURA 2.34 - Mquina de ensaio de impacto . FIGURA 2.35 - Ensaio Charpy e Izod . FIGURA 2.36 - Corpos de prova Charpy e Izod . FIGURA 2.37 - Temperatura de transio . FIGURA 2.38 - Retirada de amostras. FIGURA 2.39 - Curvas de energia absorvida de um mesmo material. FIGURA 2.40 - Influencia da localizao de um corte longitudinal axial sobre o aspecto de segregao. FIGURA 2.41 - Esquema de um metal policristalino atacado quimicamente e com feixes incidentes e de reflexo de luz. FIGURA 2.42 - Macrografia de uma pea de alumnio fundido com contornos de gros revelado por ataque com HCl. FIGURA 2.43 - Micrografia da perlita. FIGURA 3.1 - Limagem. FIGURA 3.2 - Limagem em bancada. FIGURA 3.3 - Limagem em torno. FIGURA 3.4 - Perfis de lima. FIGURA 3.5 - Limas rotativas. FIGURA 3.6 - Limas especiais. FIGURA 3.7 - Caractersticas gerais das limas. FIGURA 3.8 - Traado no plano. FIGURA 3.9 - Traado no espao. FIGURA 3.10 - Tipos de esquadro. FIGURA 3.11 - Graminho. FIGURA 3.12 - Gonimetro. FIGURA 3.13 - Compasso.

38 39 40 45 50 51 52 66 68 71 71 73 74 75 78 81 82 82 88 89 90 92 92 93 94 96 96 97 98 98 99VI

FIGURA 3.14 - Calo de apoio simples e forma de T para grandes apoios. FIGURA 3.15 - Serra manual. FIGURA 3.16 - Direo de corte. FIGURA 3.17 - Serras circulares. a) caso 1; b) caso 2. FIGURA 3.18 - Serras contnuas. FIGURA 3.19 - Etapas da furao. FIGURA 3.20 - Furadeira de bancada. FIGURA 3.21 - Furadeira de coluna. FIGURA 3.22 - Furadeira radial. FIGURA 3.23 - Furadeira de coordenadas. FIGURA 3.24 - Broca. FIGURA 3.25 - Ponta da broca. FIGURA 3.26 - ngulo da ponta. FIGURA 3.27 - ngulo de folga. FIGURA 3.28 - Escareadores. FIGURA 3.29 - Pente para determinao de rosca. FIGURA 3.30 - Macho desbastador. FIGURA 3.31 - Desandador. FIGURA 3.32 - Cossinete de entrada helicoidal. FIGURA 3.33 - Roscamento externo com cossinete. FIGURA 3.34 - Roscamento externo com ferramenta de perfil mltiplo. FIGURA 3.35 - Roscamento externo com ferramenta de perfil nico. FIGURA 3.36 - Roscamento externo com fresa de perfil mltiplo. FIGURA 3.37 - Roscamento externo com com jogo de pentes. FIGURA 3.38 - Roscamento interno com macho. FIGURA 4.1 - Afiao. FIGURA 4.2 - Cilndrico de acabamento. FIGURA 4.3 - a) Cnico de acabamento, b) Cnico de desbaste. FIGURA 4.4 - Aplainamento de guias. FIGURA 4.5 - Aplainamento de perfis. FIGURA 4.6 - Aplainamento de ranhuras T. FIGURA 4.7 - Aplainamento de rasgos. FIGURA 4.8 - Aplainamento de rasgo de chavetas. FIGURA 4.9 - Aplainamento de superfcies cilndricas de revoluo.

99 100 100 101 102 102 103 103 104 105 106 106 107 108 109 110 111 112 113 113 114 114 115 116 117 119 120 120 121 121 121 122 122 122VII

FIGURA 4.10 - Brochamento externo e interno. FIGURA 4.11 - Brunimento. FIGURA 4.12 - Denteamento. FIGURA 4.13 - Espelhamento cilndrico. FIGURA 4.14 - Espelhamento plano. FIGURA 4.15 - Fresamento cilndrico tangencial de topo. FIGURA 4.16 - Fresamento tangencial concordante. FIGURA 4.17 - Fresamento tangencial disconcordante. FIGURA 4.18 - Fresamento tangencial de perfil. FIGURA 4.19 - Fresamento frontal. FIGURA 4.20 - Fresamento frontal de canaleta. FIGURA 4.21 - Fresamento frontal rabo de andorinha. FIGURA 4.22 - Fresamento composto. FIGURA 4.23 - Furao em cheio. FIGURA 4.24 - Furao de centro. FIGURA 4.25 - Trepanao. FIGURA 4.26 - Lapidao. FIGURA 4.27 - Lixamento com fita e folhas. FIGURA 4.28 - Mandrilamento cilndrico. FIGURA 4.29 - Mandrilamento cnico. FIGURA 4.30 - Mandrilamento esfrico. FIGURA 4.31 - Polimento. FIGURA 4.38 - Torneamento cilndrico externo. FIGURA 4.39 - Faceamento. FIGURA 4.40 - Sangramento axial e radial. FIGURA 4.41 - Perfilamento. FIGURA 4.42 - Torneamento curvilneo. FIGURA 4.43 - Usinagem por feixe de eltrons. FIGURA 4.44 - Usinagem por laser. FIGURA 4.45 - Usinagem por ultra-som. FIGURA 4.46 - Eletroeroso a fio. FIGURA 4.47 - Eletroeroso por penetrao.

123 124 125 125 126 127 127 127 128 128 129 129 130 131 131 131 132 133 133 134 134 135 140 140 140 141 141 142 143 144 145 145

VIII

PROCESSOS 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.

1

Um 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 GrBretanha, o uso industrial do coque (derivado do carvo mineral) como substituto do carvo2

vegetal 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.

Processo de fabricao Metal-mecnica

Matria-prima

Processo de fabricao Plstico

Consumidor

Processo de fabricao Cermica

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.

3

FIGURA 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-mecnica4

podem 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 eletroeroso. A usinagem empregada geralmente para produzir formas com elevada tolerncia5

dimensional, 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.

6

FIGURA 1.4 - Metalurgia do p.

1.5 - CONFORMAO MECNICA

o nome genrico dos processos em que se aplica uma fora externa sobre a matriaprima, 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.

7

2 - 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 Ferrosos Aos Ferros fundidos

No-ferrosos Alumnio Cobre Zinco Magnsio Chumbo Tungstnio

NO-METLICOS Naturais Madeira Asbesto Couro Semicondutor (C, Ge, Si,...) Borracha

Sintticos Vidro Cermica Plstico Semicondutor (GaAs, GaAsP, CdS,...) Borracha Compsito

8

Alguns 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 Mecnicas Ductilidade: 0,06 - 0,09 Coeficiente de Poisson: 0,38 - 0,42 Coeficiente de Atrito: 0,47 - 0,52 Dureza: 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)9

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 Trmicas Calor Especfico: 1.500 - 1.530 (J/kg.K) Calor latente de Fuso: No se aplica Dilatao Trmica: 70 - 95 (10-6/K) Condutividade Trmica: 0,14 - 0,22 (W/m.K) Ponto de Fuso: No se aplica Temperatura de Transio Vtrea: 370 - 375 (K) Temperatura Mxima de Servio: 340 - 350 (K) Temperatura Mnima de Servio: 150 - 200 (K) Propriedades Fsicas Absoro de gua: 0,3 - 0,32 (%) Densidade: 1,02 - 1,1 (Mg/m3) ndice de Refrao: Flamabilidade: regular Propriedades Eltricas Constante Dieltrica: 2,4 - 2,9 Resistividade: 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 matriaprima. As propriedades mecnicas as que se tem maior interesse so: resistncia a trao e compresso, maleabilidade.10

dureza,

ductilidade,

fragilidade,

elasticidade,

plasticidade,

tenacidade,

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;11

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.12

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.

F = A

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 (sigma), que determinada atravs da relao entre a intensidade da carga aplicada F, e a rea de seo transversal da pea A.13

onde: - 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 () ser expressa, ento, em N/m2, unidade que denominada Pascal (Pa). Na prtica, o Pascal torna-se uma medida muito pequena para tenso, ento usase mltiplos desta unidade, que so o quilopascal (kPa), megapascal (MPa) e o gigapascal (GPa). 1 Pa 1 MPa 1 GPa 1 GPa 1 MPa 1 N/m2 1 N/mm2 1 KN/mm2 103 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.A0

Lo

a)Af F F

Lf

b) FIGURA 2.4 - Corpo de prova de ensaio de trao. a) antes do ensaio; b) aps o ensaio.14

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 = Lf L0 , geralmente confundido com a deformao. A deformao longitudinal de um material, definida como: = onde: - deformao [mm/mm; mm/m; % ] Lo - comprimento inicial do CP [mm, cm, ...] Lf - comprimento final do CP [mm, cm, ...] L f L0 . L0

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 (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, podese fazer a razo da fora pela rea da seco transversal inicial ( F ) e do alongamento pelo A0

comprimento inicial (

L f L0 ), resultando o diagrama tenso - deformao ( x ). A0 L0

rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...]15

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 x 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 x .

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 - E ), 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: = A f A0 100 A0

onde: - estrico [%] A0 - rea de seco transversal inicial [mm2, cm2, ...] Af - rea da seco transversal final [mm2, cm2, ...]

16

Aps ter comeado a estrico, um carregamento mais baixo o suficiente para a deformao do corpo de prova, at a sua ruptura. A tenso E correspondente ao incio do escoamento chamada de tenso de escoamento do material; a tenso R correspondente a carga mxima aplicada ao material conhecida como tenso de resistncia, e a tenso r correspondente ao ponto de ruptura chamada tenso de ruptuta.

a)

b)

FIGURA 2.6 - Material dctil. a) diagrama x ; 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.

17

a)

b)

FIGURA 2.7 - Material frgil. a) diagrama x ; 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 x para ligas do tipo ao baixo carbono. p - Tenso Limite de Proporcionalidade: Representa o valor mximo da tenso, abaixo do qual o material obedece a lei de Hooke. E - 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.

18

R - 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. r - 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 . 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 diretamente proporcional deformao e pode-se escrever: E = . 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.

19

Metal

Ferro, nquel, cobalto Molibdnio, tungstnio Cobre Alumnio Magnsio Zinco Zircnio Estanho Berlio smio Titnio Chumbo Rdio Nibio Ouro, prata Platina Sendo E =

Mdulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2) 21.000 35.000 11.900 7.000 4.550 9.800 10.150 4.200 25.700 56.000 10.000 1.750 29.750 10.500 7.850 18.800

Liga

Aos-carbono e aosliga Aos inoxidveis austenticos Ferro Fundido Nodular Bronzes e lates Bronzes de mangans e ao silcio Bronzes de alumnio Ligas de alumnio Monel Hastelloy Invar (nquel-ferro) Inconel Illium Ligas de titnio Ligas de magnsio Ligas de estanho Ligas de chumbo =

Mdulo de Elasticidade Longitudinal (kgf/mm2) 21.000 19.600 14.000 7.700 - 11.900 10.500 8.400 - 13.300 7.000 - 7.450 13.000 - 18.200 18.900 - 21.500 14.000 16.000 18.700 11.200 - 12.100 4.550 5.100 - 5.400 1.400 - 2.950

e = E

e tambm que

F L L0 e = f , pode-se tirar a A L0 F L0 . O A0 E

seguinte expresso para clculos de alongamento no regime elstico: =

alongamento ser positivo, quando a carga aplicada tracionar a pea, e ser negativo quando a carga aplicada comprimir a pea.L0 Lf +

Lf L0 -

Pea tracionada

Pea comprimida

FIGURA 2.9 - Alongamentos na trao e na compresso.20

A lei de Hooke, em toda a sua amplitude, abrange tambm a deformao transversal que, em caso de CP cilndrico, dado por: t = D f D0 , onde D a medida nominal do D0

dimetro do corpo de prova submetida a ao de carga normal. O coeficiente de Poisson () determinado pela relao = . Observe que o coeficiente de poisson ter um valor negativo t

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.

Curva real

Curva de engenharia

FIGURA 2.10 - Curvas de tenses reais e de engenharia.

A tenso real, real , definida por: real =

F , onde F e A so as foras e reas da A

seco transversal em cada instante. Da mesma forma, pode-se definir a deformao longitudinal real a cada instante dado por: real =

L dL = ln . Supondo que a deformao L0 L L0 0L

21

ao longo do corpo de prova seja uniforme e admitindo-se volume constante pode-se demonstrar que: real = ln(1+ ) ; real = (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.

22

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-se23

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.

24

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.

25

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.

26

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.A

F

F

F = A

F

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.

27

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-se28

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.

29

P

P

D L

P

P

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: = 2 P , D L

onde: 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

30

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 de ruptura? a) Dados: r = 40 Kgf/mm2 D = 10 mm Fr = ? b) Frmulas: = A= F A D 2 4 D 2 [ 10 mm] A= = = 78,5 mm 2 4 42

c) Soluo:

=

F F = A A Kgf 2 2 78,5 mm mm

F = A = 40 F = 3.140 Kgf

31

2) Considerando que um corpo de prova de ao SAE 1070 tem um dimetro nominal de 15 mm e a fora com que o material se rompeu foi de 16.570 Kgf. Qual a tenso de trao de ruptura (em MPa) que este ao apresenta? a) Dados: r = ? D = 15 mm Fr = 7.800 Kgf b) Frmulas: = A= F A D 2 4 D 2 [15 mm] A= = = 176,625 mm 2 4 42

c) Soluo:

=

F 16570 Kgf Kgf = 2 = 93,8 A 176,625 mm mm2 Kgf = 920,3 MPa mm2

= 93,8

3) Calcule a deformao sofrida por um corpo de prova de 15 cm de comprimento e que aps o ensaio de trao apresentou 16 cm de comprimento. a) Dados: lo = 15 cm lf = 16 cm =? b) Frmulas: = l f lo lo = = l f lo lo l f lo lo = 16 15 = 6,67 102 15 c) Soluo:

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 ocorra deformao permanente?

32

a) Dados: e = 28 Kgf/mm2 D = 1,74 mm Fe = 7.800 Kgf b) Frmulas: = A= F A D 2 4

c) Soluo: D2 (1,74 mm) A= = = 2,377 mm2 4 42

=

F Kgf F = A = 28 2,377 mm2 A mm2 Se uma carga de 44 kgf suportada por um fio de 3,05 mm de dimetro, qual ser a deformao? E = 7.040 Kgf/mm2 =? =? F = 44 Kgf D = 3,05 mm

F = A = 66,54 Kgf

a) Dados:

b) Frmulas: E= A= = D2 4 F A

= E c) Soluo:

33

D2 (3,05 mm) A= = = 7,30 mm2 4 42

= E=

F 44 Kgf Kgf = 2 = 6,02 A 7,30 mm mm2 = E

Kgf 6,02 mm2 = 8,55 104 = = Kgf E 7.040 mm2 Exerccios propostos

1) Explique o comportamento de materiais dteis e frgeis utilizando diagrama x . 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 x ? 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 mxima deformao que o material pode apresentar obedecendo o regime elstico? Resposta: = 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: = 1.900MPa 14) Uma barra de alumnio de possui uma seco transversal quadrada com 60 mm de lado, o seu comprimento de 0,8m. A carga axial aplicada na barra de 30 kN. Determine o seu alongamento. Eal = 0,7x105 MPa. Resposta: = 0,095mm

34

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;

35

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.

36

FIGURA 2.25 - Elemento da barra submetido a flexo.

A tenso fletora dada pela expresso matemtica =

Mf c I

, onde:

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: f = 1 F L , 48 E I

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.37

FIGURA 2.26 - Viga em balano com engaste rgido sendo fletida por uma fora F aplicada 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 uma38

seco retangular segundo um sistema de eixo carteziano YZ : I y = eixo Y) e I z =

a b3 (em relao ao 12

b a3 (em relao ao eixo Z). Para uma seco circular, o momento de inrcia 12 D4 , onde D o dimetro da seco circular. 64

em relao ao eixoY ou Z : I =

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

Distribuio de cargas

L

Diagrama de momento fletor

Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR =a

3 F L 2 b a2

b

FIGURA 2.27 - Mtodo de flexo a trs pontos.

39

F d

F d

Distribuio de cargas

L

Diagrama de momento fletor

Para seco retangular abaixo com as dimenses dos lados: MOR = 3 a

F d b a2

b

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.

40

Outra propriedade possvel de ser medida o mdulo de elasticidade do material, isolando E da equao: f = 1 F L , onde f (deflexo) medida para cada carga F 48 E I

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 ser41

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 2 gipsita 3 calcita 4 fluorita 5 apatita 6 ortoclsio 7 quartzo 8 topzio 9 corinto 10 diamante

Mg3H2Si4O12 CaSO4 . 2H2O CaCO3 CaF2 CaF (PO4)3 KAISio4 Sio2 A12F2SiO2 A12 O3 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 a42

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 / , onde K a dureza Bierbaum e 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:

43

HB =

Q Q 2Q = = S C D. p D( D D 2 d 2 )

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, em44

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 , que o centro das esferas faz com a impresso, so iguais, isto :

sen

d1 d2 = = = cte 2 D1 D2

FIGURA 2.29 - ngulo 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 mdia45

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 30 10 5 2,5

DUREZA (HB) 90 - 415 30 - 140 15 - 70 at 30

MATERIAL Aos e ferros fundidos Cobre e alumnio (ligas duras) Cobre e alumnio (ligas moles) 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 a carga usada, qual o dimetro da esfera e em certos casos, quando necessrio, o tempo de manuteno da carga, da seguinte forma: 85HB 10/1.000/30, que significa dureza 85 HB, medido com uma esfera de 10 mm, carga utilizada de 1.000 kgf, e tempo de aplicao 30 s.

Antes de executar o ensaio, necessrio ter uma idia da dureza, principalmente quando o material a ser medido for fina. Recomenda-se que a espessura do material deve ser no mnimo 17 vezes a profundidade de impresso p, portanto, faz-se um calculo preliminar da profundidade de penetrao utilizando a equao: p = Q . D HB

Limitaes do ensaio

Quando aplicada a carga, Q, na superfcie do metal, esse deformado plasticamente e ao ser retirada a carga, h sempre uma recuperao elstica, de modo que o dimetro da46

impresso no o mesmo quando a esfera est em contato com o metal, havendo um aumento do raio de curvatura da impresso. Essa recuperao ser tanto maior quanto mais duro for o metal, porque os metais muito duros possuem zona plstica reduzida, tendo pois pouca deformao plstica. Portanto, a recuperao elstica uma fonte de erros na determinao da dureza. Para um metal recozido que tenha grande capacidade de encruamento, pode acontecer que o dimetro da impresso real seja diferente do dimetro medido, devido a uma amassamento do metal pela esfera que mascara a calota esfrica obtida. Esse erro pode s vezes ser contornado, usando-se o mtodo de pintar a superfcie da esfera com um pigmento escuro para que o contorno da esfera fique ntido no metal. No caso inverso, em metais trabalhados a frio com pequena capacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderncia das bordas do metal na esfera, de modo que o dimetro medido fica maior que o dimetro real.

Quando uma impresso distorcida (metais muito moles), deve-se diminuir a carga para tentar obter uma impresso a mais circular possvel, mas isso nem sempre fcil de se conseguir, de modo que a mdia dos valores d pode no indicar com preciso a verdadeira dureza do metal. Em geral, pode-se aceitar uma variao dos dois dimetros, d, medidos a 90 um do outro, de at 0,06 mm. No caso inverso (metais muito duros), pode ocorrer alguma deformao da esfera de ao, que aproximadamente, deve ter uma dureza mais que 2,5 vezes a dureza do corpo de prova, a fim de evitar essa deformao causadora de erros. No sendo possvel conseguir-se uma esfera com tal dureza, utiliza-se esfera de carboneto de tungstnio sintetizado.

A dureza Brinell no serve para peas que sofreram tratamento superficial (cementao, nitretao, etc.). Superfcies no planas no so propcias para o ensaio Brinell, pois acarreta erro na leitura do dimetro, d. Em geral, admite-se o ensaio em uma superfcie com o dimetro 10 vezes o dimetro da esfera utilizada.

Como a impresso de dureza Brinell abrange uma rea de contato maior que os outros tipos de dureza, ela a nica utilizada e aceita para metais que tenham uma estrutura interna no-uniforme, como o caso dos ferros fundidos cinzentos.

47

Relao entre dureza Brinell e limite de resistncia convencional

Para o caso dos aos, existe uma relao emprica entre dureza Brinell e o limite de resistncia convencional muito til para se saber aproximadamente o r, de um ao sem a necessidade de se fazer um ensaio de trao, algumas vezes impossvel devido ao comprimento insuficiente da amostra. A relao a seguinte: r 0,36 HB, sendo a tenso de ruptura, dado em kgf/mm.

Para durezas maiores que HB = 380, entretanto, h a tendncia da dureza aumentar mais rapidamente que o limite de resistncia, provavelmente pela deformao da esfera ou por efeitos de tenses de compresso residuais na impresso, originrias de aos muito duros, desta forma, para dureza maiores, inconveniente a aplicao da desta equao.

Segundo estudos experimentais de ONeill (1.934), o valor 0,36 vale para aos-doces, mas para aos carbono e aos-ligas tratados termicamente, esse valor cai para 0,34 e 0,33 respectivamente. Para alguns metais no-ferrosos, o valor dessa constante 0,49 para nquel recozido, 0,41 para nquel e lato encruados, 0,52 para cobre recozido, 0,55 para lato recozido e aproximadamente 0,40 para alumnio e suas ligas.

2.3.4.2 - Dureza Meyer

A aproximao citada a respeito da relao Q/D suprimida, se em lugar da rea de contato, isto , a rea superficial da calota esfrica, for usada a rea da calota projetada no plano da superfcie do corpo de prova. o que foi sugerido por E. Meyer (1.908) para dar uma definio mais racional de dureza, alm de facilitar mesmo o clculo a dureza por uma frmula muito mais simples que a equao de dureza Brinell.

48

A presso mdia, P, entre a superfcie do penetrador esfrico e a impresso causada P= Q , onde o denominador representa a rea projetada da impresso. r2

A dureza Meyer, HM, definida como a prpria presso mdia P da equao P= Q 4Q , a qual tem tambm a unidade N/mm ou kgf/mm. O valor de d 2 , isto , HM = r d 2

o mesmo para as durezas Brinell e Meyer, mas a frmula para calcular HB diferente da frmula para HM.

Esse mtodo fornece um nmero de dureza que representa melhor aproximao do que o mtodo Brinell, devido ao fato de que as foras laterais na superfcie inclinada da calota esfrica tendem a se anular e aplicando-se uma presso bem uniforme, sem atrito, o valor da presso mdia, P, ser exatamente igual ao valor dado por HM = 4Q . A dureza Brinell, d2

quando aplicada a metais encruados, diminui ao ser aumentada a carga, ao passo que a dureza Meyer menos sensvel a esse acrscimo de carga, permanecendo constante. Para metais recozidos, porm, a dureza Meyer tambm varia, aumentando continuamente com a carga at um determinado valor e depois cai, quando so aplicadas cargas mais altas, apresentando, pois, erros maiores. Apesar dessas vantagens, o mtodo proposto por Meyer no usado nos ensaios comuns dos metais, mas seu estudo fornece muitos dados teis para a interpretao fsica do ensaio de dureza por penetrao.

2.3.4.3 - Dureza Rockwell

Outro tipo de dureza por penetrao foi introduzido em 1.922 por Rockwell, que leva o seu nome e oferece algumas vantagens significantes, que fazem esse tipo de dureza ser de grade uso internacional.

49

A dureza Rockwell, simbolizada por HR, elimina o tempo necessrio para a medio de qualquer dimenso da impresso causada, pois o resultado lido direta e au