apostila tec dos materiais 2015

7/21/2019 Apostila Tec Dos Materiais 2015

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2015

Dilmar Cordenonsi

Martins

Leandro Marchionni

TECNOLOGIA DOS

MATERIAIS



2

TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

ESCOLA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL SENAI – PLÍNIO GILBERTO KROEFF

SENAI-RS – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL

DEPARTAMENTO REGIONAL DO RIO GRANDE DO SUL

CONSELHO REGIONAL

Presidente Nato

Heitor José Müller – Presidente do Sistema FIERGS

Conselheiros Representantes d as At iv id ades Indus tr iais - FIERGS

Titulares Suplentes

Ademar De Gasperi Arlindo PaludoPedro Antônio Leivas Leite Eduardo R. KunstPaulo Vanzzeto Garcia Ricardo Wirth Astor Milton Schmitt Nelson Eggers

Representantes do Ministério da Educação

Titular Suplente

Antônio Carlos Barum Brod Renato Louzada Meireles

Representante do Ministério do Trabalho e Emprego

TitularLeonor da Costa

Representante dos Trabalhadores

Titular Suplente

Jurandir Damin Enio Klein

Diretor Regional e Membro Nato do Conselho Regional do SENAI-RS

José Zortea

DIRETORIA SENAI-RS

José Zortea - Diretor Regional

Carlos Artur Trein - Diretor de Operações

Carlos Heitor Zuanazzi – Diretor Administrativo e Financeiro



3



SUMÁRIO ..........................................................................................................................3

I – ESFORÇOS MECÂNICOS II ........................................................................................9

1 CENTRO DE GRAVIDADE .......................................................................................... 10

1.1 CONCEITO ................................................................................................................ 10

1.2 CENTRO DE GRAVIDADE DE SUPERFÍCIES PLANAS SIMPLES ......................... 11

1.3 CENTRO DE GRAVIDADE DE SUPERFÍCIES PLANAS COMPOSTAS .................. 13

2 INTRODUÇÃO À RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS .................................................. 18

2.1 SOLICITAÇÕES ........................................................................................................ 18

2.2 DEFORMAÇÃO ......................................................................................................... 20

3. TRAÇÃO E COMPRESSÃO ....................................................................................... 21

3.1 TENSÃO NORMAL ( σ ) .......................................................................................... 21

3.2 ALONGAMENTO UNITÁRIO LONGITUDINAL (ε) ................................................... 22

3.3 ESTRICÇÃO .............................................................................................................. 22

3.4 DIAGRAMA TENSÃO X DEFORMÇÃO .................................................................... 23

3.5 MATERIAIS DÚCTEIS E FRÁGEIS ........................................................................... 25

3.6 MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL OU MÓDULO DE YOUNG (E) ..... 25

3.7 ALONGAMENTO OU ENCURTAMENTO TOTAL (Δl)............................................. 26

3.8 TIPOS DE CARREGAMENTO .................................................................................. 26

3.9 COEFICIENTE DE SEGURANÇA (n ou k) ........................................................... 28

3.10 TENSÃO ADMISSÍVEL ( ou σadm ) ............................................................... 28

3.11 DIMENSIONAMENTO À TRAÇÃO E COMPRESSÃO ............................................ 29

3.12 FORMULÁRIO TRAÇÃO / COMPRESSÃO .......................................................... 30

4. CISALHAMENTO PURO ............................................................................................ 44

4.1 FORÇA CORTANTE ( Q ou F ) ............................................................................... 44

4.2 TENSÃO DE CISALHAMENTO (τc ) ......................................................................... 44

4.3 TENSÃO NORMAL ( σ ) E TENSÃO DE CISALHAMENTO (τc ) ......................... 45

4.4 DIMENSIONAMENTO A CISALHAMENTO ............................................................. 46

5 MOMENTO FLETOR E ESFORÇO CORTANTE......................................................... 50

5.1 CONCEITO DO MOMENTO FLETOR (MF) .............................................................. 50

5.2 CONCEITO DO ESFORÇO CORTANTE ( Q ) .......................................................... 51

6. FLEXÃO .................................................................................................................... 68

6.1 MÓDULO DE RESISTÊNCIA À FLEXÃO ................................................................ 68

6.2 TENSÃO NORMAL NA FLEXÃO ( σf ) .................................................................... 72

6.3 DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO ........................................................................... 72

7. TORÇÃO ..................................................................................................................... 84

7.1 MOMENTO TORÇOR OU TORQUE ........................................................................ 84

7.2 POTÊNCIA MÉDIA DE UMA FORÇA ( Pm) ............................................................. 86

7.3 MÓDULO DE RESISTÊNCIA POLAR ( WP) OU MÓDULO DE TORÇÃO (Wt) ........ 87



4



7.4 TENSÃO DE CISALHAMENTO NA TORÇÃO ( ) ................................................. 90

7.5 DIMENSIONAMENTO – TORÇÃO ........................................................................... 90

8. FLEXO-TORÇÃO ........................................................................................................ 96

ANEXOS ....................................................................................................................... 100

TABELAS ...................................................................................................................... 101

II ENSAIO DE MATERIAIS ........................................................................................... 119

1. Ensaio de Tração .................................................................................................... 119

1.1. Curva Tensão-deformação de Engenharia .......................................................... 119

1.1.2. Tensão ................................................................................................................ 119

1.1.3. Deformação ........................................................................................................ 119

1.1.4. Curva Tensão-Deformação ................................................................................ 119

1.1.5. Zonas da Curva Tensão-Deformação ............................................................... 120

1.1.6. Resistência à Tração ......................................................................................... 121

1.1.7. Medidas do Limite de Escoamento ................................................................... 121

1.1.8 Módulo de Elasticidade ...................................................................................... 119

1.1.9. Deformações em Barras sob Tração ............................................................... 124

1.1.9.1. Realização do Ensaio de Tração ................................................................... 124

1.1.9.2. Corpos-de-prova ............................................................................................. 125

1.1.10. Resiliência ........................................................................................................ 128

1.1.10.1. Módulo de Resiliência................................................................................... 128

1.1.11. Tenacidade ....................................................................................................... 128

1.1.12. Efeito da Deformação a Frio ............................................................................ 129

1.1.13. Limite de Escoamento Convencional ............................................................. 129

1.1.14. Velocidade de Ensaio ...................................................................................... 130

2. ENSAIO DE COMPRESSÃO .................................................................................... 130

2.1. Campo de Aplicação ............................................................................................. 130

2.1.1. Flambagem ......................................................................................................... 131

2.1.2. Condições de Ensaio ......................................................................................... 131

2.1.3. Ensaio de Compressão em Produtos Acabados ............................................. 132

3. ENSAIO DE CISALHAMENTO .................................................................................. 133

3. 1. Aplicação Prática ................................................................................................. 134

5. ENSAIO DE FLEXÃO E DOBRAMENTO .............................................................. 136

4.1 Ensaio de Dobramento em Barras da Construção Civil ..................................... 137

4.2. Ensaio de Dobramento em Corpos-de-prova Soldados ..................................... 137

4.2.1. Dobramento Guiado para Qualificação de Soldadores ................................... 138

5. ENSAIO DE FLEXÃO ................................................................................................ 140

5.1. Propriedades Mecânicas Avaliadas no Ensaio de Flexão.................................. 140

5.2. Momento de Inércia .............................................................................................. 141

5.3. Módulo de Resistência da Seção transversal (W) .............................................. 141



5



5.4. Módulo de Elasticidade e Flecha Máxima .......................................................... 142

6. ENSAIO DE IMPACTO .............................................................................................. 143

6.1. Fratura frágil .......................................................................................................... 143

6.2. Fratura Dúctil ........................................................................................................ 143

6.3. O Ensaio de Impacto ............................................................................................ 143

6.3.1. O Ensaio Charpy ................................................................................................ 144

6.3.4. Fratura do Corpo-de-prova Charpy .................................................................. 146

7. ENSAIO DE FADIGA ................................................................................................ 149

7. 1. Início da Fadiga .................................................................................................... 149

7. 2. Tensões Cíclicas .................................................................................................. 149

7. 3. Tipos de Ensaio e Fadiga .................................................................................... 149

7. 4. Corpos-de-prova .................................................................................................. 149

7. 5. Curvas S-N ........................................................................................................... 149

7. 6. Fatores que Influem na Resistência à Fadiga .................................................... 150

8. ENSAIO DE DUREZA BRINELL ............................................................................... 151

8.1. O Ensaio Padronizado ......................................................................................... 151

8.2. Fator de Carga....................................................................................................... 152

8.2.3. Escolha das Condições de Ensaio ................................................................... 152

8.3. Representação dos Resultados ........................................................................... 153

8.4. Vantagens e Desvantagens do Método ............................................................... 154

8. 5. Aspectos da Impressão ....................................................................................... 154

9. ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL .......................................................................... 155

9.1. Em que Consiste o Ensaio ................................................................................... 155

9.1.1. Penetradores ...................................................................................................... 155

9.1.2. Cargas e Pré-cargas Utilizadas no Ensaio ....................................................... 155

9.3. Representação da Dureza Rockwell .................................................................... 156

9.4. Profundidade de Penetração ................................................................................ 156

10. DUREZA VICKERS ................................................................................................. 158

10.1. Em que Consiste o Ensaio ................................................................................. 158

10.2. Determinação da Dureza Vickers ....................................................................... 158

10.3. Representação do Resultado Obtido................................................................. 159

10. 4. Cargas Utilizadas no ensaio .............................................................................. 159

10.5. Defeitos de Impressão ........................................................................................ 159

10.6. Vantagens e Limitações do Ensaio Vickers ...................................................... 160

III. TRATAMENTO TÉRMICO ...................................................................................... 162

1.1 Fatores de influência nos tratamentos térmicos ................................................. 163

1.1.2 A velocidade de aquecimento ........................................................................... 163

1.1.3 A temperatura de aquecimento ......................................................................... 163

1.1.4 Tempo de permanência na temperatura de aquecimento ................................ 163



6



1.1.5 Resfriamento ...................................................................................................... 164

1.1.6 Atmosfera do forno ............................................................................................ 165

2. O AÇO ....................................................................................................................... 167

2. 1. Classificação dos Aços. ...................................................................................... 167

2. 1. 1. Aços Carbono ................................................................................................ 167

2. 1. 2. Aços Ligados ................................................................................................... 168

2. 1. 3. Influência dos Elementos nos Aços ............................................................... 169

3. CONCEITOS FUNDAMENTAIS ................................................................................ 170

3. 1. Fases de Sistema ................................................................................................ 170

3. 2. Termodinâmica e Cinética Química .................................................................... 170

3. 3. Equilíbrio Termodinâmico .................................................................................. 170

3. 4. Solubilidade ......................................................................................................... 170

3. 5. Estrutura Cristalina ............................................................................................. 171

3. 6. Estrutura Cristalina dos Metais .......................................................................... 171

3. 7. Recristalização ..................................................................................................... 172

3. 8. Alotropia .............................................................................................................. 172

3. 9. Formação de uma Outra Fase ............................................................................. 172

4. DIAGRAMAS DE FASE ........................................................................................... 172

4. 1. O Diagrama Ferro X Carbono .............................................................................. 172

4. 1. 1 Fases Presentes no Aço .................................................................................. 173

4. 1. 2 Informações Importantes do Diagrama Fe x C .............................................. 173

5. TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS REALIZADOS EM METAIS ...................... 173

5. 1 Recristalização com Deformação Prévia ............................................................. 173

5. 2 Solubilização e Precipitação (Envelhecimento) .................................................. 174

5. 3 Tratamento Térmico com Mudança Alotrópica ................................................... 174

5. 4 Tamanho De Grão Austenítico ............................................................................ 175

5. 5. Temperatura de Austenitização .......................................................................... 176

5. 6. Formas de Aquecimento ..................................................................................... 176

5. 7. Meios de Resfriamento ....................................................................................... 176

6. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS ..................................................................... 179

6. 1. Normalização ....................................................................................................... 179

6. 1.1 Objetivos da Normalização .............................................................................. 181

6. 1. 2. Microestrutura de Um Aço Normalizado ....................................................... 181

6. 1. 2. 1. Aços ao Carbono ......................................................................................... 181

6. 1. 2. 2. Aços Ligados ............................................................................................... 181

6. 1. 3. Falhas de Normalização .................................................................................. 182

6. 2. Recozimento ........................................................................................................ 183

6.2.1. Recozimento total ou pleno .............................................................................. 184

6. 2. 2 Recozimento isotérmico ou cíclico................................................................. 185



7



6. 2. 3. Recozimento Pleno e Recozimento Isotérmico ............................................. 185

6.2.4 - Recozimento para alívio de tensões ou sub-crítico ................................ 186

6.2.5 Esferoidização ..................................................................................................... 186

6. 3. Falhas mais Freqüentes no Recozimento .......................................................... 187

6. 3. 1. Crescimento do Grão Austenítico no Recozimento ..................................... 187

6. 3. 2. Queima do Aço ................................................................................................. 188

6. 4. Têmpera ................................................................................................................ 189

6. 4. 1. Curvas TTT para Tratamentos Térmicos Isotérmicos ................................... 193

6. 4. 2. Curvas TTT de Resfriamento Contínuo ......................................................... 193

6. 4. 3. Fatores que Influem na Têmpera ................................................................... 194

6. 4. 4. Curvas de Resfriamento .................................................................................. 194

6. 4. 5. Estágios de Resfriamento ............................................................................. 194

6. 4. 6. Propriedades do Meio de Têmpera ................................................................. 195

6. 4. 7. Temperabilidade .............................................................................................. 196

6. 4. 7. 1. Faixas de Temperabilidade ......................................................................... 196

6. 4. 7. 2. O Ensaio de Jominy ..................................................................................... 196

6. 4. 8. Severidade do Meio de Têmpera .................................................................... 197

6. 4. 9. Distribuição da Dureza em Peças Temperadas de Geometria Simples ....... 197

6. 4. 9. 1. Gráficos de Lamount .................................................................................. 197

6. 4. 10. Fatores que Afetam a Temperabilidade ........................................................ 201

6. 4. 11. Falhas de Processo na Têmpera .................................................................. 201

6. 4. 12. Falhas Estruturais .......................................................................................... 202

7. REVENIMENTO ........................................................................................................ 203

7. 1. Etapas do Revenimento ...................................................................................... 203

7. 2. Curvas de Revenimento ...................................................................................... 204

7. 3. Efeito do Tempo no Revenimento ...................................................................... 204

7. 4. Fragilidade de Revenido ...................................................................................... 204

7. 4. 1. Aços suscetíveis a Fragilidade de Revenido ................................................. 204

8. TRATAMENTOS TÉRMICOS ISOTÉRMICOS .......................................................... 206

8.1 MARTÊMPERA ...................................................................................................... 206

8. 1.1 Limitações do Processo ................................................................................... 207

9. AUSTÊMPERA ......................................................................................................... 208

10. TÊMPERA SUPERFICIAL E/OU LOCALIZADA ..................................................... 210

10. 1. Têmpera por Indução ......................................................................................... 210

10.2. Têmpera por Chama ........................................................................................... 211

10. 2. 1. Vantagens do Processo................................................................................. 211

10. 2. 2. Limitações do Processo ................................................................................ 211

10. 2. 3. Tipos de Aços que Podem ser Temperados por Chama ............................. 212

11. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS ...................................................................... 213



8



11. 1. Cementação ....................................................................................................... 213

11. 1. 1. Processos de Cementação ............................................................................ 214

11. 1. 2. Determinação da Profundidade de Camada Cementada ............................. 216

11. 1. 3. Aços para Cementação.................................................................................. 218

11. 1. 4. Vantagens da Cementação ........................................................................... 218

11. 1. 5. Falhas Decorrentes do Processo de Cementação ...................................... 219

11. 2. Carbonitretação ................................................................................................ 220

11.3. Nitretação ........................................................................................................... 221

11. 3. 1. Processos de Nitretação ............................................................................... 221

12. TENSÕES RESIDUAIS E OS TRATAMENTOS TÉRMICOS .................................. 223

12. 1. Introdução .......................................................................................................... 223

12. 2. Tipos de Tensões que Atuam no Material ........................................................ 223

12. 3. Deformações no Tratamento Térmico .............................................................. 224

12. 4. Recozimento para Alívio de Tensões ............................................................... 224

12. 4. 1. Deformação Causada pelo próprio Peso da peça ....................................... 225

12. 5. Aumento de Volume pela Transformação da Austenita em Martensita ........ 225

12. 6. Tratamento Térmico em Dispositivos .............................................................. 225

ANEXO 1 – DIAGRAMA FERR0/CARBONO ................................................................ 226

REFERÊNCIAS BLIBLIOGRÁFICAS. .......................................................................... 227



9



I – ESFORÇOS MECÂNICOS II

Os conteúdos formativos de Esforços Mecânicos II, da unidade curricularTecnologia dos Materiais, é um estudo que envolve a resistência dos materiais e têmcomo finalidade dar uma ideia clara e objetiva sobre os esforços de tração, compressão,cisalhamento flexão e torção, a maneira de calculá-los e a forma de dimensionar oselementos mecânicos sujeitos a esses esforços.

A Resistência dos Materiais abrange assuntos amplos e complexos, muito alémdaqueles abordados neste trabalho. Tivemos a preocupação de apresentar resoluções

práticas de problemas que mais frequentemente são utilizados na vida profissional dosTécnicos em Mecânica, utilizando uma linguagem simples, a fim de tornar fácil o seuaprendizado.

Em todos os capítulos a teoria está seguida de exercícios resolvidos e exercíciosa resolver, de modo a solidificar o entendimento e a aplicação de cada conceitoestudado.



10



1 CENTRO DE GRAVIDADE

O objetivo deste capítulo é conceituar centro de gravidade e calcular o centro degravidade de superfícies planas simples e compostas.

1.1 CONCEITO

Os corpos materiais podem ser considerados como um sistema de partículas,cada uma das quais é atraída pela Terra com uma força igual ao peso da partícula.

A resultante total de todas essas forças parciais é o peso do corpo (P).( P = P1 + P2 + P3 + P4 + ............Pn) .

Seja G o ponto no qual podemos considerar aplicado o peso total desse corpo. Oponto G é denominado Centro de Gravidade do corpo.Centro de Gravidade de um corpo é o ponto de aplicação da força peso. A Terra atrai o corpo como se toda a sua massa estivesse localizada no Centro de

Gravidade.

X = abscissa do ponto

Y = ordenada do ponto

G ( X,Y) = coordenadas do ponto G

G = ponto de aplicação da força peso – centro de gravidade

P = peso do corpo

Para corpos homogêneos, de massa uniformemente distribuída, que admitem umeixo de simetria, seus centros de gravidade estão sobre esse eixo.

x

y P



11



Exemplo - Num corpo homogêneo de forma cúbica, o centro de gravidadeencontra-se na intersecção de suas diagonais; o centro de gravidade de uma esferaencontra-se no centro da esfera.

1.2 CENTRO DE GRAVIDADE DE SUPERFÍCIES PLANAS SIMPLES

Apresentamos a seguir, o formulário para o cálculo de algumas superfícies planassimples.

2

b xG

A = b.h

2

h yG

2

a

xG

2

a yG A = a2

3

b xG

A =2

.hb

3

h yG



12



X = r A = π.r

ou

Y = r A =4

2d

r = raio2

d r

d = diâmetro

X = r

2

2r A

Y = 0,424.r

X = 0,424.r

4

2r

A

Y = 0,424.r



13



1.3 CENTRO DE GRAVIDADE DE SUPERFÍCIES PLANAS COMPOSTAS

Para o cálculo do Centro de Gravidade de superfícies planas compostas utiliza-se as seguintes expressões:

n

nn

A A A A

X A X A X A X A X

................

..........

321

332211

n

nn

A A A A

Y AY AY AY AY

................

..........

321

332211

Exemplo 1. Determinar as coordenadas do Centro de Gravidade da superfície planaabaixo.

Y20 mm 20 mm 20 mm

X= X1 = X2 X

X= X1 = X2 = 30 mm

Y1 = 25 mm Y2 = 57 mm

A1 = 20 mm x 50 mm = 1000 mm 2

A2 = 60 mm x 14 mm = 840 mm2

5 0 m m

1 4 m m

• G1

• G2

Y 1

= 2 5

m m

Y 2

= 5 7 m m



14



n

nn

A A A A

Y AY AY AY AY

................

..........

321

332211

mmY 61,391840

72880

8401000

5784025.1000

G ( 30 , 39,61 ) mm

Exemplo 2. Determinar as coordenadas do Centro de Gravidade da superfície plana aseguir.

Resolução:

• G3

• G1

G2 •

X1 = X3

X2

Y 3

Y 1

Y2

20

20



15



X1 = X3 = 55 mm

X2 =3

b+ 110 =

3

30 + 110 = 10 + 110 = 120 mm

Y1 = 2 =2

60 = 30 mm

Y2 =3

h=

3

60 = 20 mm

Y3= 0,576 . R + 25 = 0,576.35 + 25 = 20,16 + 25 = 45,16 mm

A1 = b.h = 110 x 60 = 6600 mm2 A2 =2

bxh =

2

6030 x= 900 mm2

A3 =2

2r =

2

35.14,3 2

= 1923,25 mm2

X =321

332211.

A A A

X A X A X A

X =

25,19239006600

5525,1923120900556600

X=75,5576

75,105778108000363000 =

75,5576

25,365221 X = 65,49 mm

Y =321

332211.

A A A

Y AY AY A

Y =

25,19239006600

16,4525,192320900306600

y = 75,5576

97,8685318000198000

= 75,5576

03,129146

Y = 23,16 mm

G ( 65,49 ; 23,16 ) mm

EXERCÍCIOS

Determinar as coordenadas do Centro de Gravidade das superfícies planas abaixo.

Y Y1. 2.

120 mm X

180 mm

1 5 0 m m

X

9 0 m m



16



5. 6.Y

Y

1 3 0 m m

20 mm 34 mm X 150 mm X

4.

Y

400 mm X

3 0 0

m m

2 0 0 m m

3.Y

1 6 9 m m

2 0 m m

2 0 m m

x



17



.

7.

8.

8



18



2 INTRODUÇÃO À RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS

O objetivo deste capítulo é caracterizar as solicitações de tração, compressão,cisalhamento, flexão, torção e conceituar deformação elástica e plástica.

2.1 SOLICITAÇÕES

Um sistema de forças pode ser aplicado num corpo de diferentes maneiras,originando, portanto diversos tipos de solicitações, tais como: tração, compressão,cisalhamento, flexão e torção.

Solicitação Simples: quando somente um tipo de solicitação age na peça.Solicitação Composta: quando dois ou mais tipos de solicitações agem

contemporaneamente.

Tração

Tem-se um esforço de tração simples quando a resultante das forças atuantessobre uma dada secção da estrutura é dirigida segundo o eixo da mesma estrutura etende a provocar um alongamento.

Compressão

Tem-se um esforço de compressão simples quando a resultante das forçasatuantes sobre uma dada secção de uma estrutura é orientada segundo o eixo da própria

estrutura, como no caso da tração, porém tende a provocar um encurtamento.



19



Cisalhamento

Solicitação que tende a deslocar paralelamente, em sentido oposto, duas secçõescontíguas de uma peça. No cisalhamento a peça é solicitada por duas forças próximas,

paralelas e de sentidos contrários.

Flexão

Solicitação que tende a modificar o eixo geométrico de uma peça.

Torção

Solicitação que tende a girar as secções de uma peça, uma em relação às outras.



20



2.2 DEFORMAÇÃO

A experiência demonstra que a ação de qualquer força sobre um corpo altera asua forma, isto é, provoca uma deformação.Com o aumento da intensidade da força, há um aumento da deformação.

Deformação transitória ou elástica

Deformação permanente ou plástica

OBS: O ponto que separa os dois tipos de deformação é o limite de

elasticidade.

Um fio solicitado por uma força de pequenaintensidade, conforme figura, sofrerá umadeformação transitória e retomará seucomprimento inicial caso a força for removida.

Nessa deformação o material não retorna aocomprimento inicial, isto é, fica com umadeformação permanente, depois de retirado oesforço.



21



3. TRAÇÃO E COMPRESSÃO

Uma peça está submetida a esforço de tração ou compressão, quando uma carganormal F atuar sobre a área da secção transversal da peça, na direção do eixolongitudinal.

O objetivo desse capítulo é conceituar tensão normal, calcular alongamentounitário e total, interpretar o gráfico tensão x deformação e dimensionar estruturasmecânicas sujeitas a esforços de tração ou compressão.

3.1 TENSÃO NORMAL ( σ )

A = 20 mm²

σ = A

F

F = Força normalA = Área da secção transversalσ = Tensão normal

F

= 500 N

Tensão Normal: é determinada através da relação entre a intensidade da carga normalaplicada e a área da secção transversal da peça. É a força aplicada por unidade de área.

σ = A

F σ = 500 N / 20 mm²

σ = 25 N/mm² - Isto significa que em cada 1 mm² de área da secção transversal atuauma força de 25 N

Força Normal ou Axial F: é aquela que atua perpendicularmente sobre a área da secção

transversal da peça.

F

Unidades de Medidas - no SI

F - N ( newton )

A - m²

σ - N/m² = Pa ( pascal)Outras unidades usuais de tensão: N/cm², N/mm², kgf/cm² , kgf/mm²



22



3.2 ALONGAMENTO UNITÁRIO LONGITUDINAL (ε)

É a deformação que ocorre em uma unidade de comprimento de uma peçasubmetida a ação de carga axial. É definida através da relação:

ε =l

l

l = comprimento inicial Δl = alongamento longitudinal total ε = Alongamento unitário longitudinal ε % = Alongamento unitário percentual

ε =l

l

F

ε =cm

cm

30

6,0 = 0,02

cm

cm → ε = 0,02 - n° puro – grandeza adimensional – não têm

unidade de medida.

0,02cm

cm

1 → isto significa que o material sofre um alongamento de 0,02 cm

para cada um centímetro de seu comprimento inicial.

Alongamento percentual (ε %)

Multiplicando-se por cem, o alongamento unitário longitudinal, temos o alongamentopercentual.

% ou %

ε % = 0,02 x 100 → ε % = 2% - isto significa que o material sofreu umalongamento de 2% de seu comprimento inicial.

3.3 ESTRICÇÃO

A Estricção é a redução percentual da área da secção transversal do corpo deprova na região em que vai se localizar a ruptura.

Quanto maior for a porcentagem da estricção, mais dúctil é o material.

Δl= 0,6 cm

l = 3 0 c m

l f = 3 0 , 6 c m

ε % = ε x 100 ε % =l

l x 100



23



Redução da área da secção transversal (ruptura)

em porcentagem

3.4 DIAGRAMA TENSÃO X DEFORMÇÃO

No ensaio de tração o corpo de prova é deformado por alongamento por umaforça axial até que se produza sua ruptura. Os ensaios de tração permitem conhecercomo os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração quesuportam e a partir de que momento se rompem.

O ensaio de tração geralmente é realizado na máquina universal, que têm estenome porque se presta à realização de diversos tipos de ensaios

Aumentando-se atensão, a deformaçãotambém vai aumentando e osresultados da experiênciapodem ser mostradas por umgráfico, marcando emabscissas as deformações(alongamento unitário) e emordenadas as tensões

Ponto O - Início de ensaio

carga nulaPonto A - Limite de proporcionalidadePonto B - Limite superior de escoamentoPonto C – final de escoamentoPonto D – Limite máximo de resistênciaPonto E – Limite de rupturaσp = tensão de proporcionalidade σe = tensão de escoamento σr = tensão de rupturaσmáx = tensão máxima

i

f i

s A

A A E

100 x

A

A A E

i

f i

s

2

2

mm

mm

Antes do ensaio de tração

Após ensaio de tração



24



Diagrama tensão x deformação (Aço doce – Material dúctil)

Zona elástica

Zona plástica

Ruptura

Analisando o gráfico, observamos que até o ponto A ( zona elástica) o gráfico é uma reta,pois as deformações são diretamente proporcionais as tensões que as produzem. Oponto A é o limite de proporcionalidade e a tensão correspondente é a tensão deproporcionalidade.

Na prática, considera-se o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidadecoincidentes.Na fase elástica é válida a lei de Hooke - as deformações são diretamenteproporcionais as tensões que as produzem. A partir do ponto A inicia-se a fase plástica, na qual ocorre a deformação permanente domaterial.No início da fase plástica (ponto A até o ponto C) ocorre um fenômeno chamadoescoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do materialsem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação.Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros. Após o final do escoamento ( ponto C) ocorre o encruamento, que é um endurecimentocausado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformado a frio. A

resistência do material aumenta e consequentemente a tensão para deformá-lo também.

máx

r



25



No ponto D a tensão atinge o valor máximo, sendo esse ponto denominado de limite deresistência.Continuando a tração, atinge-se a ruptura do material, ponto E, sendo este pontodenominado de limite de ruptura.

Do ponto D até o ponto E, temos a estricção, que é a redução da área da secçãotransversal do corpo de prova onde vai ocorrer a ruptura.Quanto maior a porcentagem de estricção mais dúctil é o material.

3.5 MATERIAIS DÚCTEIS E FRÁGEIS

Material Dúctil: O material é classificado como dúctil, quando submetido aoensaio de tração, apresenta deformação plástica, precedida por uma deformaçãoelástica, para atingir o rompimento. Exemplo: aço, alumínio, cobre, bronze, latão, etc.

Material Frágil: O material é classificado como frágil, quando submetido a ensaiode tração não apresenta deformação plástica, passando da deformação elástica para orompimento. Exemplo: concreto, vidro, cerâmica, ferro fundido, etc.

Diagrama tensão x deformação – material frágil

σ

σr

ε Deformação elástica ruptura

3.6 MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL OU MÓDULO DE YOUNG (E)

Na fase elástica, se dividirmos a tensão (σ) pela deformação (alongamentounitário ε), obteremos sempre um valor constante. Esse valor é denominado Módulo deElasticidade longitudinal.

No SI

E = tg α → E =

N/m² ou Pa ( pascal)



26



Outras unidades usuais: N/cm², N/mm², kgf/cm² , kgf/mm² , ....

O módulo de elasticidade é uma característica do material. Mede a rigidezdo material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica resultante daaplicação de uma tensão e mais rígido será o material.

3.7 ALONGAMENTO OU ENCURTAMENTO TOTAL (Δl)

Δl = A E

l F

.

.

l A

Δl l = comprimento inicial da peça A = área da secção transversal da peça F = carga normal aplicadaE = módulo de elasticidade longitudinal do material

Δl = alongamento total F

Unidades no SI

Δl, l → m A → m² F → N ( newton) E → N/m²

3.8 TIPOS DE CARREGAMENTO

Carga estática ( I )

A carga é aplicada na peça e permanece constante.

(tensão)Exemplo:

Um parafuso prendendo uma luminária.Uma corrente suportando um lustre.

t (tempo)



27



Carga intermitente ( II )

Neste caso, a carga é aplicada gradativamente na peça, fazendo com que o seuesforço atinja o valor máximo, utilizando para isso um determinado intervalo de tempo. Aoatingir o ponto máximo, a carga é retirada gradativamente no mesmo intervalo de tempoutilizado para se atingir o máximo, fazendo com que a tensão atuante volte à zero. Eassim sucessivamente.

Exemplo: o dente de uma engrenagem.

(tensão)

t (tempo)

Carga alternada ( III )

Neste tipo de solicitação, a carga aplicada na peça varia de máximo positivo paramáximo negativo ou vice-versa, constituindo-se na pior situação para o material.

Exemplo: eixos, molas, amortecedores, etc.

(tensão)

t (tempo)

máx. +

máx. -



28



3.9 COEFICIENTE DE SEGURANÇA (n ou k)

O Coeficiente de Segurança é utilizado no dimensionamento dos elementos deconstrução, visando assegurar o equilíbrio entre a qualidade da construção e o seu custo.

O projetista poderá obter o coeficiente em normas ou determiná-lo em função dediversos fatores, tais como, fator em relação as tensões de escoamento e ruptura, fatorem relação a homogeneidade do material, fator em função do tipo de carga a seraplicada, fator em função das causas desconhecidas, etc.

A escolha do coeficiente requer bom senso por parte do projetista, todavia podemosadotar, numa primeira aproximação, a seguinte fórmula para a sua determinação:

Fator tipo de material

A ou X = 2 materiais comunsA ou X = 1,5 para aço de qualidade e aço liga

Fator tipo de solicitação

B ou Y = 1 - carga estática (constante)B ou Y = 2 - carga intermitenteB ou Y = 3 - carga alternada

Fator tipo de carga

C ou Z = 1 - carga lenta e gradativaC ou Z = 1,5 - para cargas de choques levesC ou Z = 2 - para choques bruscos

Fator que prevê possíveis falhas

D ou W = 1 a 1,5 para açoD ou W = 1,5 a 2 para ferro fundido

3.10 TENSÃO ADMISSÍVEL ( ou σadm )

A tensão admissível representa a tensão limite com a qual pode-se projetar semperigo de ocorrer o rompimento do material, isto é, a tensão abaixo da qual seguramentevale a lei de Hooke. A tensão admissível é a tensão ideal de trabalho para o material.

Essa tensão deverá ser mantida na região de deformação elástica do material.

n = A.B.C.D ou k = X.Y.Z.W



29



Determina-se a tensão admissível através das seguintes relações:

A tensão de trabalho é aquela que a estrutura está submetida ou a que se

pretende que esteja. A tensão de trabalho deve ser menor ou igual a tensão admissível.

3.11 DIMENSIONAMENTO À TRAÇÃO E COMPRESSÃO

No dimensionamento dos elementos de máquinas admitem-se apenasdeformações elásticas. Os cálculos podem ser de verificação ou de dimensionamentopropriamente dito. No primeiro caso, escolhem-se as dimensões e depois se verifica se atensão de trabalho não ultrapassa a tensão admissível.

No segundo caso, o processo é inverso: as dimensões são calculadas admitindo-se a tensão de trabalho, com critério e segurança.

Dimensionamento:

1º) Tensão Admissível

=σadm = σe / n - Materiais Dúcteis

=σadm = σr / n - Materiais Frágeis

ou tabela de Bach

2º) Área da Secção Transversal da peça (A)

F A

3º) Dimensões da secção transversal da estrutura em função da área da secção

= σadm = σe / n - Materiais Dúcteis

=σadm = σr / n - Materiais Frágeis

σe = Tensão de escoamento

σr = Tensão de ruptura



30



3.12 FORMULÁRIO TRAÇÃO / COMPRESSÃO

ε =l

l

m

m ,cm

cm ,mm

mm (grandeza

adimensional – sem

unidade de medida)

Δl = alongamento total ouvariação do comprimento

l = comprimento inicial da peçaε = Alongamento unitáriolongitudinal

ε % = Alongamento percentual

F = Força (carga) normalA = Área da secção transversal

σ = Tensão normal ou axialE = módulo de elasticidadelongitudinal do material

n ou k = coeficiente desegurança

σe = Tensão de escoamento

σr = Tensão de ruptura σrt = tensão de ruptura à traçãoAi = área inicialAf = área finalEs = estricção

Área de superfícies planas

Retângulo

h A = b . hb

Quadrado

a A = a2 a

Círculo

A = πr2

ou

A =4

2

d

Coroa circular

A = π( R 2 – r2 )

ε % = ε x 100 ou

ε% =l

l x 100%

σ = A

F

F - N, kgf, ....A - m², cm², mm²σ - N/m² = Pa ( pascal), N/cm², N/mm², kgf/cm² ,kgf/mm²

E = tg α → E =

N/m² = Pa, N/cm², N/mm²,kgf/cm² , kgf/mm

Δl = A E

l F

.

.

Δl, l → m, cm, mm

A → m², cm², mm²F → N , kgf E→ N/m², N/cm², N/mm²,

kgf/cm² , kgf/mmDIMENSIONAMENTO À TRAÇÃO E COMPRESSÃO

1º) Tensão Admissível

= σadm = σe / n - Materiais Dúcteis

= σadm = σr /n - Materiais Frágeis

ou tabela de Bach

2º) Área da Secção Transversal da peça (A)

F A

3º) Dimensões da secção transversal da estrutura

em função da área da secção

Coeficiente de segurançan = A.B.C.D ou k = X.Y.Z.W

FORÇA PARA ROMPER POR TRAÇÃOF = σrt. A

ESTRICÇÃO - ES 100)(

i

f i

A

A A ( %)

km hm dam m dm cm mm

r

d



31



EXEMPLOS - TRAÇÃO E COMPRESSÃO

1. Um fio de cobre com diâmetro 4 mm e comprimento 4 m é aplicado uma carga de90 kgf. Sabendo-se que o módulo de elasticidade longitudinal do cobre é 12 000kgf/mm2, determine:a) o alongamento total ( Δl )b) a tensão atuante no fio.c) o alongamento percentual

Dados:E = 12 000 kgf/mm2d = 4 mm Δl l = 4 m = 4000 mmF = 90 kgf

F

= 90 kgf

Área da secção - A = 222

56,124

)4.(14,3

4mm

mmd

a) Alongamento total Δl

Δl = A E

l F

.

.

Δl =

2

2 56,12.12000

4000.90

mmmm

kgf

mmkgf = 2,39 mm

b) Tensão

σ = A

F

→ σ = 256,12

90

mm

kgf

→ σ = 7,16 kgf/mm2

c) Alongamento unitário percentual

ε% =l

l x 100 → ε% = 1004000

39,2 x → ε% = 0,06%

2. Em uma prensa hidráulica para 70 tf se dispõe de um pistão de aço, maciço, paratransmitir a pressão. Calcular o diâmetro do pistão sabendo-se que ele será construídocom um material cuja tensão de ruptura por compressão é 5300 kgf/cm2. Usar umcoeficiente de segurança n = 5.

F

= 70 tf = 70 000 kgf

d

1º) Tensão admissível ( )

=n

r → = 1060

5

/5300 2

cmkgf

kgf/cm2

2º) Área da secção transversal (A)

l = 4 m



32



F A →

21060

70000

cm

kgf

kgf A = 66,04 cm2

3º) Diâmetro do pistão em função da área “A”

4

2d

A →

4

.14,304,66

22 d

cm →2

14,3

4.04,66d → d2 = 84,127 cm2

2127,84 cmd → d = 9,17 cm

3. Calcular o diâmetro de um arame de aço ABNT 1020, trefilado, destinado a mantersuspenso um peso de 150 kgf. Tensão admissível ver tabela de Bach

A

F

= 150 kgf


Aço 1020 T – carregamento estático (I) - = 14 kgf/mm2 – tabela Bach – pág.


F A →

214

150

mm

kgf

kgf A = 10,71 mm2

3º) Diâmetro do pistão em função da área “A”

4

2d A

→

4

.14,371,10

22 d

mm →2

14,3

4.71,10d → d2 = 13,649 mm2

2649,13 mmd → d = 3,69 mm

4. Dimensionar uma corrente destinada a resistir uma carga intermitente de 4000 kgf.Material aço ABNT 1030 laminado



33




Aço 1030 L – carregamento intermitente (II) - = 8,5 kgf/mm2 – tabela Bach – pág.


Força atuante na secção da corrente = F = 4 000 kgf ÷ 2 = 2 000 kgf

F A →

25,8

2000

mm

kgf

kgf A = 235,29 mm2

3º) Diâmetro da corrente em função da área “A”

4

2d A

→

2.4d

A

→

Ad

.4 →

14,3

29,235.4d → d =

273,299 mm

d = 17,31 mm

5. Uma barra de secção transversal circular tem 2 cm de diâmetro. A barra é tracionadaaxialmente por 4 500 kgf. Verificar a segurança, sabendo-se que é construída de aço comtensão de escoamento 3 500 kgf/cm2 e o carregamento é estático.

Para verificar a segurança temos duas soluções:

1ª) Determina-se o coeficiente de segurança aplicado na estrutura e se verifica se omesmo está dentro das normas de segurançaO coeficiente de segurança aplicado na estrutura deve ser maior ou igual ao

coeficiente especificado em normas.

2ª) Determina-se a tensão de trabalho e compara-se com a tensão admissível. A tensão de trabalho deve ser menor ou igual a tensão admissível.

Para a resolução desse problema usaremos o 1º caso.

Coeficiente de segurança aplicado na barra

1º) Área da secção transversal



34



4

. 2d A

→

4

)2.(14,3 2cm A = 3,14 cm2

2º) Tensão de trabalho

A

F →

214,3

4500

cm

kgf =1433,12 kgf/cm2

3º) Coeficiente de segurança aplicado

en → material dúctil

r n → material frlágil

en →

2

2

12,1433

3500

cm

kgf cm

kgf

n 4,2

Coeficiente de segurança recomendado para o cason = A.B.C.D ( ver pág. 28 )n = 2.1.1.1 = 2 ou n = 2.1.1.1,5 = 3Para carga estática, aço comum, o coeficiente de segurança recomendado é:

32 n , portanto o coeficiente de segurança aplicado na estrutura é ideal (2,5).

6) Um elevador de automóveis deve ser construído com um tubo de aço. Os raiosexterno e interno do tubo apresentam razão igual a 2. O aço usado apresenta tensão deescoamento 3500 kgf/cm². Dimensionar o tubo, usando um coeficiente de segurançan = 3 e sabendo que a capacidade de elevação é 50 000 kgf.

1º) Tensão admissível de compressão

=n

e → = 67,1166

3

/3500 2

cmkgf

kgf/cm2


F A →

267,1166

50000

cm

kgf

kgf A = 42,86 cm2



35



3º) Raio maior R e raio menor r em função da área A.

A = π(R2 – r 2) - área da coroa circular

42,86 cm2 = 3,14 ( R2 – r 2 ) → 14,3

86,42R2 – r 2 → 13,65 cm2 = R2 – r 2

R2 – r 2 = 13,65 como a razão entre os raios é 2, temos: 2r

R, logo R = 2r,

substituindo-se R por 2r, temos:

(2r)2 – r 2 = 13,65 → 4r 2 – 1r 2 = 13,65 → 3r 2 = 13,65 → r 2 =3

65,13 → r 2 = 4,55 cm2

r = 255,4 cm = 2,13 cm → R= 2r → R = 2.2,13 → R = 4,26 cm

7) Dimensionar as barras AB e AC da estrutura representada abaixo. A secçãotransversal das barras AB e AC é quadrada. O material a ser utilizado é aço 1030 Lcom tensão de escoamento 300 N/mm2. Utilize coeficiente de segurança n = 2,5.

1º) Cálculo dos esforços nas barras AB e AC

Y

T1

37° X53º

T2 P = 5000 N

1ª equação

Ry = 0 Σ proj y F = 0

Proj YT2 + proj YP = 0 T2 cos 53º - P = 0

T2.0,8 – 5000 = 0 T2.0,6 = 5000 T2 =

6,0

5000 = 8 333,33 N



36



2ª equação

Rx = 0 - Σ proj x F = 0

ProjXT1 + ProjXT2 = 0 - T1 + T2 cos 37º = 0 - T1 + 8 333,33 x 0,8 = 0

-T1 + 6666,66 = 0 6666,66 =T1 T1 = 6666,66 N

2º) Tensão admissível

=n

e → = 2

2

/1205,2

/300mm N

mm N

3º) Área da secção transversal

- Barra 1 -

1

1

T

A →2

2

1 56,55120

66,6666

mm

mm

N

N

A

- Barra 2 -

22

T A → 2

2

2 44,69

120

33,8333mm

mm

N

N A

4º) Lado “a” da secção em função da área “A” a

a

- Barra 1 - A1 = a2 → 55,56 mm2 = a2 → a = 256,55 mm → a = 7,45 mm

- Barra 2 - A2 = a2 → 69,44 mm2 = a2 → a = 244,69 mm → a = 8,33 mm

8) Dimensionar os fios AB e AC que sustentam a caixa da figura de peso 2 000 N,sabendo-se que o material é o aço ABNT 1020 T com tensão de escoamento igual a480 MPa e o coeficiente de segurança indicado para o caso é 3.

C

B

30º 37º A



37



I. Cálculo dos esforços nos cabos

Rx = 0 - Σ proj x F = 0

ProjXT1 + ProjXT2 = 0 T1X - T2X = 0 T1 cos37º - T2 cos 30º = 0

T1.0,8 - T2.0,87 = 0 T1.0,8 = T2.0,87 T1 =8,0

87,0.2T T1 = 1,09T2 1ª equação

Ry = 0 Σ proj y F = 0

Proj YT1 + Proj YT2 + proj YP = 0 T1y + T2y - P = 0 T1cos53º + T2 cos 60º - P = 0

T1.0,6 + T2.0,5 – 2000 = 0 T1.0,6 + T2.0,5 = 2000 2ª equação

T1 = 1,09T2 1ª equação

T1.0,6 + T2.0,5 = 2000 2ª equação

Substituindo-se a 1ª equação na 2ª temos:

1,09.T2.0,6 + T2.0,5 = 2000 0,65 T2 + 0,5 T2 = 2000 1,15 T2 = 2000

T2 =15,1

2000 T2 = 1739,13 N como T1 = 1,09T2, temos: T1 = 1,09 .1739,13

T1 = 1 895,65 N

II. Dimensionamento dos fios

Tensão admissível ( )

Aço 1020 T – carregamento estático - =

n

e → = 2

2

/160

3

/480mm N

mm N



38



Área da secção transversal (A)

Fio 1

F A →

1T

A →

2160

65,1895

mm

N

N A = 11,85 mm2

Fio 2

2T A →

2160

13,1739

mm

N

N A = 10,87 mm2

Diâmetro dos fios em função da área “A”

Fio 1

4

2d A

→

Ad

.4 →

14,3

85,11.4d → d = 3,89 mm

Fio 2

Ad

.4 →

14,3

87,10.4d → d = 3,72 mm

9) Calcular as reações no apoio A e dimensionar a barra 1 da construção representadana figura. O material a ser utilizado é o aço ABNT 1040 laminado, com tensão deescoamento 360 N/mm², o coeficiente de segurança indicado para o caso é n = 2,5 e asecção transversal da barra é retangular, sendo h = 1,5 b.

F1 = 5 kN/m x 4 m = 20 kN

1º) Esforço exercido na barra 1 e reações no apoioA

T

1 F

= 20 kN2 F

=10 kN 37º yT

AH R

A 53º B

xT

AV R

2 m 5 m 3 m

1ª equação: Σ MTO A F = 0



39



MTO AF1 + MTO F2 + MTO A Ty = 0

20 . 2 + 10 . 7 – Ty . 10 = 0 → 40 + 70 = Ty . 10 → como Ty = T.cos 37º, temos:

110 = T.cos37º . 10 → 110 = T.0,8.10 → 110 = T.8 → 8

110

= T → T = 13,75 kN

2ª equação: Rx = 0 Σ proj x F = 0

ProjX R AH + Pro jX T = 0 R AH - Tx = 0 R AH - T.cos 53° = 0

R AH - 13,75.0,6 = 0 R AH = 8,25 kN

3ª equação: Ry = 0 Σ proj y F = 0

Projy R Av + ProjY F1 + ProjY F2 + ProjY T = 0 R Av – F1 – F2 + TY = 0

R AV – 20 – 10 + T.cos 37º = 0 → R AV – 30 + 13,75 . 0,8 = 0 → R AV = 11 kN

2º) Tensão Admissível ( )

=n

e → =

2

2

1445,2

360

mm

N mm

N


F A →

T A

→ A =

2144

13750

mm

N

N → A= 95,44 mm2

4º) Dimensões da secção ( b e h) em função da área A

A = b.h → 95,44 mm2 = b.h → como h= 1,5 b, substituindo-se temos:

95,44 = b(1,5 b) → 95,44 = 1,5b2 →2

5,1

44,95b → b2 = 63,63 mm2

b = 263,63 mm = 7,98 mm → h = 1,5 b → h = 1,5.7,98 → h = 11,97 mm



40



EXERCÍCIOS

1. Calcular a força necessária para alongar de 2 mm um fio de aço doce decomprimento 1,5 m e diâmetro 3 mm.

Módulo de elasticidade - ver tabela

2. Uma barra de Al possui secção transversal quadrada, com 10 mm de lado ecomprimento 2 m. A carga axial aplicada na barra é de 16 000 N. Determinar:a) a tensão normal atuante na barrab) o alongamentototalc) o alongamento percentualDado: módulo de Elasticidade Longitudinal do Al = 70 000 N/mm2

3. Um fio de comprimento 25 cm e diâmetro 2 mm foi submetido ao ensaio de tração e

com uma força de 60 kgf obteve-se um alongamento total de 0,9 mm. Calcular:

a) O alongamento unitário

b) O alongamento porcentual

c) Tensão normal

d) Módulo de elasticidade



41



4. Calcular o encurtamento dos pés da mesa em figura.Carga aplicada = 16 tf. ( 1 tf = 1000 kgf )Material: aço meio carbono

F

5. Considerando que a barra representada na figura seja de secção circular e de aço ABNT 1040 laminado, determinar o seu diâmetro, para suportar com segurança, umesforço de 5000 kgf, estático de tração.

6. A peça representada na figura é constituida de uma parte mais grossa que têmdiâmetro de 30 mm e outra mais fina de 20 mm. Calcular a carga F, intermitente, quepode ser aplicada com segurança na peça, sabendo-se que o material é aço ABNT1050 L ( σe = 35 kgf/mm2) . O coeficiente de segurança indicado para o caso én = 4.

Φ = 30 mm

Φ = 20 mm

F

Obs. Quando a peça têm mais de uma secção resistente, efetua-se o cálculoconsiderando-se a secção menor (mais perigosa), no caso a de diâmetro 20 mm.



42



7. Dimensionar os fios 1 e 2 da figura, sabendo-se que o material é o aço ABNT 1030trefilado com tensão de escoamento igual a 500 MPa e o coeficiente de segurançaindicado para o caso é 2,5.

8. Determinar os diâmetros das barras 1 e 2, de aço ABNT 1020 L, para suportar comsegurança uma carga P, estática, de 8 tf, sendo o ângulo α = 45º.

Tensão admissível – ver tabela de Bach

2 2

P

1

Saiba Mais

Para o dimensionamento de cabos de aço e correntes pesquise tabelas de fabricantes.Veja exemplos de tabelas em anexo.www.carlstahl.com.br www.rodex.com.br

http://www.carlstahl.com.br/





43



9. Dimensionar os tubos quadrados da figura, sabendo-se que P= 8 000 N, o material éo aço ABNT 1020 L com tensão de escoamento 280 MPa e o coeficiente desegurança indicado para o caso é n = 5. Considere a = 1,4.a’

a

a’

Você sabia ?Você sabia que Leonardo da Vinci (1452-1519), artista epensador italiano, estudou a estática e a dinâmica, formulou adecomposição de uma força, importante conteúdo para aresolução de problemas de equilíbrio de sistemas com um pontofixo, estudou o equilíbrio de um corpo sobre um plano inclinado,realizou pesquisas sobre o centro de gravidade e testou os fiosmetálicos à tração.



44



4. CISALHAMENTO PURO

No cisalhamento a peça é solicitada por duas forças próximas, paralelas e desentidos contrários. Para o efeito prático de cálculo de resistência a cisalhamento serálevado em consideração somente o chamado esforço cortante simples, que ageperpendicularmente ao eixo da peça, produzindo uma tensão de cisalhamento.

O objetivo desse capítulo é calcular a carga de corte e dimensionar estruturasmecânicas sujeitas a esforço de cisalhamento.

4.1 FORÇA CORTANTE ( Q ou F )

Denomina-se força cortante a carga que atua tangencialmente sobre a área da

secção transversal da peça.

4.2 TENSÃO DE CISALHAMENTO (τc )

A ação da carga cortante sobre a área da secção transversal da peça causa nestauma tensão de cisalhamento que é definida através da relação entre a intensidade dacarga aplicada e a área da secção transversal da peça sujeita a cisalhamento.

τc = A

Q

Q ou F = Força cortante A = área da secção transversal sujeita a cisalhamentoτc = tensão de cisalhamento



45



Unidades no SI:

Q ou F → N ( newton) A → m² τc→ N/m² ou Pa (pascal)

Outras unidades → N/cm², N/mm², kgf/cm², kgf/mm²

Para o caso de mais de um elemento estar submetido a cisalhamento, utiliza-se osomatório das áreas das secções transversais para o dimensionamento. Se os elementospossuírem a mesma área da secção transversal, basta multiplicar essa área pelo númerode elementos (N).

τc= A N

Q

.

OBS: As tensões de ruptura a cisalhamento (τcr ), para os materiais em geral, segundo osresultados de ensaios, obedecem aproximadamente a seguinte relação com referência àtensão de ruptura à tração (σtr ):

τcr = ( 2/3 a 3/4 ) . σtr ou τcr = ( 0,6 a 0,8 ) . σtr

σtr = tensão de ruptura à traçãoτcr = tensão de ruptura a cisalhamento

Valor usual: τcr = 0,75 . σtr

4.3 TENSÃO NORMAL ( σ ) E TENSÃO DE CISALHAMENTO (τc )

A tensão normal σ atua na direção do eixo longitudinal da peça, ou seja,

perpendicular a secção transversal, enquanto que a tensão de cisalhamento τc é

tangencial à secção transversal da peça.



46



4.4 DIMENSIONAMENTO A CISALHAMENTO

1º ) Tensão admissível a cisalhamento ( c )

c = 0,75 . t

c = tensão admissível de cisalhamento t = tensão admissível de tração

2º) Área da secção transversal resistente a cisalhamento ( A ) A = c

Q

Para mais de um elemento ( parafuso, rebite,......)

N = número de elementos

3º) Dimensões da secção da peça em função da área da secção transversal

Pressão de Contato σd ( Esmagamento)

No dimensionamento das juntas rebitadas, pinos, chavetas, etc., torna-senecessário a verificação da pressão de contato entre o elemento e a parede do furo nachapa ( nas juntas).

A carga Q atuando na junta, tende a cisalhar a secção AA. Ao mesmo tempo, criaum esforço de compressão entre o elemento e a parede do furo ( região AB ou AC). Apressão de contato, que pode acarretar o esmagamento é dada por:

σd = proj A

Q dt

Q

Quando houver mais de um elemento ( parafuso ou rebite) utiliza-se:

σd = proj NAQ

Ndt Q

A = c N

Q



47



σd = Pressão de contato ( Pa)N = número de elementost = espessura da chapa ( m)Q = carga cortante aplicada na junta (N)

d = diâmetro dos elementos ( m)

EXEMPLO – carga de corte (Q)

Calcular a carga de corte da peça em figura.Material: aço ABNT 1040 LEspessura = 3 mmRaio r = 40 mm e R = 80 mm

1º) Tensão de ruptura a cisalhamento (τcr )

τcr = 0,75 . σtr

Tensão de ruptura à tração - σtr

Aço ABNT 1040 L - σtr = 53 kgf/mm2 – ver tabela - anexos

Tensão de ruptura a cisalhamento - τcr = 0,75 . σtr

τcr = 0,75 . 53 kgf/mm2 - τcr = 39,75 kgf/mm2

2º) Área de corte (A)

A = perímetro x espessura

A = ( 160 + 100 + 100 + 2πr +2

2 R ).3 → A = (360 + 2.3,14.40 + 3,14.80).3

A = ( 360 + 251,2 + 251,2 ).3 → A = 862,4.3 → A = 2587,2 mm2

3º) Carga de corte (Q)

Q = τcr . A → Q = 39,75

2mm

kgf x 2587,2 mm2 → Q = 102841,2 kgf



48



EXEMPLO - Dimensionamento a cisalhamento

Dimensionar, a cisalhamento, os rebites representados abaixo. Aço 1020 Laminado

Carregamento intermitenteForça F = 1500 kgf

1º ) Tensão admissível a cisalhamento ( c )

c = 0,75 . t

t = tensão admissível de tração → t = 6,5 kgf/mm2 → Tabela Bach

c = 0,75 . t → c = 0,75 . 6,5 kgf/mm2 → c = 4,875 kgf/mm2

2º) Área da secção transversal resistente a cisalhamento ( A ) A = c

Q

Para mais de um elemento ( parafuso, rebite,......)

N = número de elementos ( rebites )N = 4 rebites

A = c N

Q

→ A =

2875,4.4

1500

mm

kgf

kgf → A = 76,92 mm2

3º) Dimensões da secção da peça em função da área da secção transversal

A =4

2

d → d =

A4 d =

14,3

92,76.4 2mm= 2987,97 mm mm9,9

A = c N

Q



49



EXERCÍCIOS - CISALHAMENTO

1) Calcular a carga de corte da peça em figura.Material : aço ABNT 1050 L

Espessura = 4 mmRaio r = 50 mm

2) Calcular a carga de corte da chapa em figura.Material: aço ABNT 1020 LEspessura s = 3 mm

3) Calcular o diâmetro do rebite em figura.Carga F = 350 kgfMaterial : aço ABNT 1010 LCarregamento : estático

4) Dimensionar, a cisalhamento, a junta rebitada para que suporte uma carga de 70000 N

aplicada conforme a figura. A junta deverá contar com 5 rebites. Dados: c = 105 MPa.



50



5 MOMENTO FLETOR E ESFORÇO CORTANTE

O objetivo desse capítulo é calcular o momento fletor, o esforço cortante e traçaros diagramas para vários tipos de estruturas.

5.1 CONCEITO DO MOMENTO FLETOR (MF)

O Momento fletor de uma determinada secção “S” é a soma dos momentos detodas as forças à esquerda ou a direita da secção considerada em relação ao baricentro(centro de gravidade – ponto “O”) da referida secção.

Forças à esquerda da secção “S”

Calculando-se pelas forças à direita da secção S encontra-se o mesmo resultado.

Forças à direita da secção ”S”



51



Convenção de sinais do momento fletor

O Momento Fletor é positivo quando tende a fletir a peça com a concavidade paracima e é negativo quando tende a imprimir-lhe concavidade para baixo. Supõe-se que a

peça seja disposta horizontalmente. Em outros casos se estabelece convençãoconveniente conforme a compressão ou distensão das fibras. Quando distender as fibrasde baixo e comprimir as de cima, o momento fletor é positivo, e no caso contrário, énegativo.

+ -

5.2 CONCEITO DO ESFORÇO CORTANTE ( Q )

O Esforço Cortante (Q) que solicita uma determinada secção “S” é o valor dasoma das projeções de todas as forças à esquerda ou à direita dessa secção, projetada

sobre a referida secção.

Q = ∑ proj S F

Forças à esquerda da secção “S”

1 F

S

A R

Forças à direita da secção “S”

s

2 F

B R

Q = ∑ proj S F

Q = proj S A R

+ proj S 1

F

Q = ∑ proj S F

Q = proj S RB + proj S 2 F



52



Convenção de sinais do esforço cortante

O esforço cortante é positivo quando tende a deslocar para cima a parte da peçaque se situa à esquerda da secção considerada, em relação à parte da direita e énegativo no caso contrário.

Q -

Q +

EXEMPLOS

Para as estruturas abaixo, determine:a) as reações nos apoiosb) as equações dos momentos fletoresc) o momento fletor máximo e o esforço cortante máximod) os diagramas dos momentos fletores e esforços cortantes.

1)

Reações nos apoios

4 1

4 1



53



Σ MTO A F = 0 (aplica-se o momento, em relação a um dos pontos de apoio, para queseja anulada uma das incógnitas.)

MTO A R A + MTO A F1 + MTO A RB + MTO A F2 = 0

R A x 0 + 4000 x 0,5 – RB x 1 + 1000 x 1,5= 0

0 + 2000 - RB + 1500 = 0 3500 = RB

RB = 3500 NRy = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY F1 + ProjY R A + ProjY F2 + ProjY RB = 0

+ R A – F1 + RB – F2 = 0 R A – 4000 + 3500 -1000 = 0 R A = 1500 N

Momento Fletor e Esforço Cortante

Para o cálculo do momento fletor e esforço cortante, divide-se inicialmente a estrutura emsecções. Secciona-se a estrutura sempre entre duas forças, conforme o exemplo abaixo.

Forças à esquerda da secção

Momento Fletor

Secção S1 → 0 ≤ X≤ 0,5 m

S1

●O

A R

= 1500 Nx

MF = ∑ MTO O F

MF = MTO O R A → MF1 = 1500X

Para X = 0 m → MF = 1500.0 = 0



54



Para X = 0,5 m → MF = 1500.0,5 = 750 N.mEsforço Cortante

Q = ∑ proj S F

Q1 = proj S A R

→ Q1 = + 1500 N

Secção S2 → 0,5 ≤ X≤ 1 m

Momento Fletor

MF = ∑ MTO O F

MF = MTOO R

A + MTO

OF

1 → MF = 1500X – 4000 (X - 0,5)

MF = 1500 X – 4000 X + 2000 → MF2 = - 2500 X + 2000

Para X = 0,5 m → MF= -2500.0,5 + 2000 → MF = -1250 + 2000 → MF = 750 Nm Para X = 1 m → MF = -2500.1 + 2000 → MF = - 500 Nm

Esforço Cortante

Q = ∑ proj S F

Q2 = proj S R A + proj F1 → Q2 = + 1500 - 4000 N → Q2 = - 2500 N

Secção S3 → 1 ≤ X≤ 1,5 m



55



Momento Fletor

MF = ∑ MTO O FMF = MTO O R A + MTO OF1 + MTOO RB → MF = 1500X – 4000 (X - 0,5) + 3500 (X - 1)

MF = 1500X – 4000X + 2000 + 3500X – 3500 → MF3 = 1000X – 1500Para X = 1 m → MF = 1000.1 – 1500 → MF = - 500 NmPara X = 1,5 m → MF = 1000.1,5 – 1500 → MF = 0

Esforço Cortante

Q = ∑ proj S F

Q3 = proj S R A + proj S F1 + proj S RB → Q3 = + 1500 - 4000 + 3500 → Q3 = 1000 N

Diagramas

MF ( Nm)

- 500

0 0,5 1 1,5 X(m)

750

MFmáx.= 750 Nm para x= 0,5 m

Q (N) Qmáx. = 2500 N entre 0,5 m a 1 m

1500

1000

0 0,5 1 1,5 X(m)

-2500



56



F1x = F1 . cos 37º → F1x = 5000.0,8 = 4000 N

F1y = F1 . cos 53º → F1y = 5000.0,6 = 3000 N

Σ MTO A F = 0

MTO A F1y + MTO A R A + MTO A F2 + MTO A RBV = 0

- 3000 x 1 + R A x 0 + 6000 x 2 – RBV x 4 = 0

- 3000 + 12000 = RBV x 4 → RBV =4

9000 → RBV = 2 250 N

Rx = 0 - Σ proj x F = 0

+ F1x – RBH = 0 → 4000 – RBH = 0 → RBH = 4000 N



57



Ry = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY F1 + ProjY R A + ProjY F2 + ProjY RBV = 0

– F1y + R A – F2 + RBV = 0 → – 3000 + R A - 6000 + 2250 = 0 → R A – 6750 = 0

RA = 6750 N


Secção S1 → 0 ≤ X≤ 1 m

Momento Fletor

MF = ∑ MTO O FMF = MTO O F1Y + MTOO F1X → MF1 = - 3000.X + 4000.0 → MF1 = - 3000.X Para X = 0 m → MF = - 3000.0 = 0Para X = 1 m → MF = - 3000.1 → MF = - 3000 N

Obs. O momento da força F1X, em relação ao ponto O, é igual a zero porque a linha deação da força passa sobre o ponto, logo a distância da força ao ponto é igual a zero.

= 6750 N

S1 S2 S3



58



Esforço Cortante

Q = ∑ proj S FQ = proj S F1y + proj S F1 → Q = - F1Y + 0 → Q1 = - 3000 N

Obs. O esforço cortante da força F1X é igual a zero, porque a projeção da força F1X , noeixo da secção S1, é um ponto, portanto igual a zero.


Momento Fletor

MF = ∑ MTO O FMF = MTO OF1Y + MTO O R A → MF = - 3000X + 6750 (X - 1) MF = -3000 X + 6750 X - 6750 → MF2 = 3750X - 6750

Para X = 1 m → MF= 3750.1 - 6750 → MF = -3000 N Para X = 3 m → MF = 3750.3 -6750 → MF = 11250 – 6750 → MF = 4500 Nm

Esforço Cortante

Q = ∑ proj S F

Q2 = proj S F1Y proj S R A → Q2 = - 3000 + 6750 → Q2 = 3750 N




59



Momento Fletor

MF = ∑ MTO O FMF = + MTO OF1Y + MTO O R A + MTOO F2 → MF = -3000X + 6750 (X - 1) - 6000 (X - 3) MF = -3000X + 6750X - 6750 – 6000X+ 18000 → MF3 = - 2250 X + 11250

Para X = 3 m → MF = -2250.3 + 11250 → MF = - 6750 + 11250 → MF= 4500 NmPara X = 5 m → MF = -2250.5 + 11250 → MF = 0

Esforço Cortante

Q = ∑ proj S F

Q3 = + proj S F1Y + proj S R A + proj S F2 → Q3 = - 3000 + 6750 - 6000 → Q3 = - 2250 N

Diagramas

- 3000

0 1 3 5 X(m)

4500MF (N m)MF máx.= 4500 N m para x= 3 m

Q ( N)

1500

1000

0 0,5 1 1,5 X(m)

-2500

Q máx. = 2500 N entre 0,5 m a 1m



60



3)

Reações nos Apoios

F = 2000N/m x 6m = 12 000 N

Σ MTOA F = 0

MTO A R A + MTO A F + MTO A RB = 0

R A x 0 + 12000 x 3 – RB x 6 = 0 → 0 + 36000 - 6 RB = 0 → 36000 = 6RB

B R6

36000 → RB = 6000 N

Ry = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY R A + ProjY F + ProjY RB = 0

R A – F + RB = 0 → R A – 12000 + 6000 = 0 → R A = 6000 N


2000N/m

6 m

2000 N/m

A R

= 6000 N B R

= 6000N

6 m

S



61



Secção S → 0 ≤ X≤ 6 m

Momento Fletor

Substituindo-se a carga distribuída por uma concentrada, temos:

F = Xmm

N .2000 → F = 2000X

MF = ∑ MTO O F

MF = MTO O R A + MTOO F → MF = 6000.X - 2000X.( 2

X ) →

MF = 6000X - 1000 X2

Para X = 0 m → MF = 6000.0 - 1000.0 → MF = 0Para X = 6 m → MF = 6000.6 - 1000.62 → MF = 36000 - 1000.36

MF = 36000 - 36000 → MF = 0

Como a equação do momento fletor é de 2º grau, o gráfico do MF é uma parábola e paraencontrar o seu vértice (ponto de máximo ou de mínimo) procedemos da seguinte forma:

1º) Determina-se a equação do esforço cortante

Q = ∑ proj S F

Q = projS R A + projS F → Q = 6000 - 2000X

2º) Iguala-se a zero a equação do esforço cortante e encontra-se o valor de X

6000 - 2000X = 0 → 6000 = 2000X →2000

6000 = 0 → X = 3 m



62



3º) Substitui-se o valor de X (3 m), na equação do momento fletor, determinando-seassim o valor de máximo ou de mínimo do MF da secção S.

MF1 = 6000X - 1000 X2 MF = 6000.(3) – 1000.(3)2 → MF = 18000 – 9000

MF = 9 000 Nm - ponto de máximo momento fletor

Esforço cortante

Q = 6000 - 2000X

Para x = 0 → Q = 6000 – 2000.0 → Q = 6000 N

Para x = 6 m → Q = 6000 – 2000.6 → Q = - 6000 N

Diagramas

X ( m) MF (N.m) X (m) Q(N)0 0 0 60003 9000 6 -6000

6 0

MFmáx. = 9000 Nm para x = 3 m Qmáx. = 6 000 N



63



4)


Para o cálculo das reações nos apoios, substitui-se a carga distribuída pela concentrada,aplicada no centro de gravidade.

F1 = 50m

kN x 4 m = 200 kN

Σ MTO A F = 0

MTO A R A + MTO A F1 + MTO A F2 + MTO A RB = 0

R A x 0 + 200 x 2 + 40 x 6 – RB x 8 = 0

0 + 400 + 240 = RB x 8 → RBV =8

640 → RB = 80 kN

Ry = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY R A + ProjY F1 + ProjY F2 + ProjY RB = 0

+ R A – F1 - F2 + RB = 0 → R A - 200 – 40 + 80 = 0 → R A – 160 = 0

RA = 160 kN



64




Para o cálculo do momento fletor e do esforço cortante dividimos a estrutura em três

secções.

Substituindo-se a carga distribuída por uma concentrada, temos:

F = 50.X

X F 50

Momento Fletor

MF = ∑ MTO O F

MF = MTOO R A + MTOO F → MF = 160.X – 50X.2

X → MF1 = 160X – 25X2

Para x = 0 m → MF = 160.0 – 25.0 → MF = 0

Para x = 4m → MF = 160.4 – 25.42 → MF = 640 – 400 → MF = 240 Nm

Como a equação do momento fletor é de 2º grau, o gráfico do MF é uma parábola e paraencontrar o seu vértice (ponto de máximo ou de mínimo) procedemos da seguinte forma:

1º) Determina-se a equação do esforço cortante

Q = ∑ proj S F

Q = projS R A + projS F → Q = 160 – 50X

2º) Iguala-se a zero a equação do esforço cortante e encontra-se o valor de X

N R A 160



65



Q = 160 – 50X → 0 = 160 – 50X → 50X = 160 → X =50

160 → X = 3,2 m

3º) Substitui-se o valor de X (3,2 m), na equação do momento fletor, determinando-seassim o valor de máximo ou de mínimo do MF da secção S1.

MF1 = 160X – 25X2 → MF = 160.(3,2) – 25.(3,2)2 → MF = 512 – 256 MF = 256 kNmEsforço Cortante

Q = projS R A + projS F → Q = 160 – 50XPara x = 0 → Q = 160 – 50.0 = 160 – 0 → Q = 160 kN Para x = 4 → Q = 160 – 50.4 = 160 – 0 → Q = 160 – 200 → Q = - 40 kN


Para o cálculo das secções dois e três substitui-se a carga distribuída pelaconcentrada.

Momento Fletor

MF = MTOO R A + MTOO F1 → MF = 160.X – 200(X-2) → MF = 160X – 200X + 400

MF2 = - 40X + 400Para x – 4m → MF= -40.4 + 400 → MF = 240 NmPara x = 6 m → MF = -40.6 + 400 → MF = 160 kNm

Esforço Cortante

Q = projS R A + projS F1 → Q = 160 – 200 → Q = – 40 kN




66



Momento Fletor

MF = MTOO R A + MTOO F1 + MTOO F2 → MF = 160X – 200 (X-2) – 40 (X-6)

MF = 160X – 200X + 400 – 40X + 240 → MF3 = - 80X + 640 Para X = 6 m → MF = -80.6 + 640 → MF = -480 + 640 → MF = 160 kNmPara X = 8 m → MF = -80.8 + 640 → MF = 0

Esforço Cortante

Q = projS R A + projS F1 + projS F2→ Q = 160 – 200 - 40 → Q = – 80 kN

Diagramas

X ( m) MF (kN.m) X (m) Q(kN)

0 0 0 1603,2 256 4 -404 240 4 a 6 -406 160 6 a 8 -808 0

MFmáximo = 256 kN para x = 3,2 m Qmáximo = 160 kN

Q(kN)

160

0 3,2 4 6 8 X (m)- 40

- 80



67



EXERCÍCIOS - MOMENTO FLETOR E ESFORÇO CORTANTE

1) Para as estruturas abaixo, determine:a) as reações nos apoiosb) as equações dos momentos fletoresc) o momento fletor máximo e o esforço cortante máximod) os diagramas dos momentos fletores e esforços cortantes.



68



6. FLEXÃO

A figura a seguir mostra um corpo apoiado em suas extremidades. O corpo sofre aação de uma força F, que atua na direção perpendicular ao eixo do corpo. Quando essaforça provoca apenas uma deformação elástica no material, dizemos que se trata de umesforço de flexão. Quando produz uma deformação plástica, temos um esforço dedobramento.

Nesse capítulo estudaremos apenas o comportamento dos materiais submetidosa esforços de flexão, sendo que o principal objetivo é o dimensionamento de estruturasmecânicas.

F

6.1 MÓDULO DE RESISTÊNCIA À FLEXÃO

Define-se módulo de resistência à flexão de uma superfície plana, em relação aoseixos baricêntricos X e Y, como sendo a relação entre o Momento de Inércia relativo ao

eixo baricêntrico e a distância máxima entre o eixo e a extremidade da secçãotransversal estudada.

y

x

X máx.

Jx = Momento de Inércia em relação ao eixo XJ

y = Momento de Inércia em relação ao eixo Y

Wf x = Módulo de resistência à flexão relativo ao eixo XWf y = Módulo de resistência à flexão relativo ao eixo Y

Y m á x .

G

.máx

x x

Y

J Wf

.máx

y

y X

J Wf



69



O módulo de resistência à flexão depende do tipo de secção (quadrada,retangular, circular) e da sua posição relativa, conforme exemplo abaixo. Quanto maiorfor o módulo de resistência à flexão, maior é a resistência da peça flexionada. O módulode resistência à flexão é de grande importância para cálculos de Engenharia. É utilizado

no dimensionamento de peças sujeitas à Flexão. Apresentamos a seguir um formulário para o cálculo do módulo de resistência á

flexão.

SECÇÃO

MOMENTO DE

INÉRCIA

MÓDULO DE

RESISTÊNCIA À

FLEXÃO (Wf )

12

3bh J X

12

3hb J Y

6

2bhW X

6

2hbW Y

12

4a

J J Y X 6

3a

W W Y X

64

4d J J Y X

32

3d W W Y X



70



64

44

d D J J Y X Dd DW W Y X

32

44

12

4

a J J Y X

12

23a

W W Y X

36

3bh J X

36

3hb J Y

24

2bhW X

24

2hbW Y

12

44ba

J J Y X

a

baW W Y X

6

44



71



12

44

ba J J Y X abaW W Y X

12)(2 44

JX = 0,1098r 4

JY= 0,3927r 4

WX = 0,19r 3

WY = 0,3927r 3

OBS: Quanto maior for módulo de resistência à flexão, maior é a resistência da peçaflexionada.

Ex.

Para secção retangular e força perpendicular ao eixo X, temos:

6

2bh

W fX 6

2bh

W fX

F

F



72



Wfx =3

2

67,666

10.4cm Wfx =

32

67,266

4.10cm

OBS: Quanto maior for módulo de resistência à flexão, maior é a resistência da peçaflexionada.

6.2 TENSÃO NORMAL NA FLEXÃO ( σf )

A tensão de Flexão σf numa secção “S” qualquer é dada por:

F

S

σf =

f W

MF

MF = Momento Fletor → N.m, N.cm, N.mm, kgf.cm, kgf.mm - no SI → N.m

Wf = Módulo de Flexão → m³ , cm³, mm³, ..... No SI → m³

σf = Tensão normal na Flexão → N/m², N/cm², N/mm², kgf/cm², kgf/mm²

SI → σf → N/m² = pascal (Pa)

OBS: N/mm² = MPa

6.3 DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO

Para o dimensionamento de peças submetidas a solicitações de flexão, utiliza-se

a tensão admissível à flexão ( f ) que será a tensão atuante máxima na fibra mais

afastada, não importando se a fibra estiver tracionada ou comprimida .

CARGA NORMAL ( PERPENDICULAR) AO EIXO “X” )

f x = X

máxmáx

J

Y MF .

.

OU f x = X

máx

Wf

MF .

Saiba Mais

Pesquise no livro Projetista de Máquinas – Pro-Tec - Engº. Francesco Provenza – Formulário mais completo do módulo de resistência à flexão.



73



CARGA NORMAL ( PERPENDICUL AR) AO EIXO “y” )

No dimensionamento de peças, sujeitas à flexão, podemos utilizar o momento deinércia ou o módulo de resistência à flexão.

Sequência de cálculo para o dimensionamento à flexão

1º) Reações nos Apoios

2º) Momento Fletor Máximo

3º) Tensão Admissível de flexão ( f )

ou tabela de Bach (ver tabela)

4º) Módulo de Resistência à Flexão Wf

Wf = f

máx MF

.

5º) Dimensões da secção da peça em função do módulo de resistência à flexão ( verformulário pág. 65).

OBS: A fórmula da tensão admissível, para o dimensionamento, é aplicada nas secções

críticas, isto é, nas secções onde pode haver ruptura do material. Conforme a situação,depois de dimensionar a flexão, faz-se a verificação da tensão de cisalhamento devido aforça cortante nas secções onde se suspeita que a estrutura pode romper-se porcisalhamento.

EXERCÍCIOS – DIMENSIONAMENTO À FLEXÃO

1. Para a estrutura representada abaixo, pedem-se:a) as reações nos apoiosb) o momento fletor máximoc) o dimensionamento, à flexão, da barra AB, considerando que o material é o aço

ABNT 1040, laminado e o carregamento é estático.

f Y =

Y

máxmáx

J

X MF .

. f Y =

Y

máx

Wf

MF . ou

f = n

e materiail dúctil

f = n

r materiais frágil



74



1º) Reações nos Apoios

Σ MTO A F = 0

MTO A R A + MTO A F1 + MTO A F2 + MTO A RB = 0

R A x 0 + 500 x 0,5 + 800 x 1,5 – RB x 2 = 0

0 + 250 + 1200 = 2RB → RB =2

1450 → RB = 725 kgf

Ry = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY R A + ProjY F1 + ProjY F2 + ProjY RB = 0

R A - F1 - F2 + RB = 0 → R A - 500 – 800 + 725 = 0 → R A – 575 = 0

RA = 575 kgf

2º) Momento Fletor máximo

500 kgf 800 kgf

S1 S2 S3

aa

A R

= 575 kgf B R

=725 kgf

0,5 m 1 m 0,5 m



75



Secção S1 → 0 ≤ X≤ 0,5 m

•O

A R

= 575 kgfX

MF = MTO O R A → MF = 575.X Para X = 0 → MF = 575.0 = 0 Para X = 0,5 m → MF = 575.0,5 = 287,5 kgfm

Secção S2 → 0,5 ≤ X≤ 1,5 m

1 F

= 500 kgf

S1

•O

A R

= 575 kgf

X

0,5 m X – 0,5

MF = Mto O R A + Mto OF1 MF = 575X – 500 (X - 0,5) → MF = 575X – 500X + 250 → MF = 75 X + 250

Para X = 0,5 m → MF = 75.0,5 + 250 → MF = 37,5 + 250 → MF = 287,5 kgfm Para X = 1,5 m → MF = 75.1,5 + 250 → MF = 112,5 + 250 → MF= 362,5 kgfm

Obs. Para a determinação do momento fletor máximo não há necessidade do cálculo da3ª secção, pois para x = 2 m o momento fletor é igual a zero.

3º) Dimensionamento da barra à flexão

MFmáx. = 362,5 kgf.m = 362500 kgf.mm

Tensão admissível à flexão

Pela tabela de Bach para o aço ABNT 1040 L, carregamento estático (I) →

f = 14,5 kgf/mm2

Módulo de resistência à flexão - Wf

f W = f

máx MF

→ f W =

25,14

.362500

mm

kgf

mmkgf → Wf = 25000 mm3



76



Dimensões da secção em função do módulo de resistência à flexão

Wf x =6

3a → 25000 mm3 =

6

3a → 6.25000 = a3 → a3 = 150000 mm3

a = 3 3150000mm → a = 53,13 mm

2. Dimensionar, à flexão, o eixo para que suporte com segurança o carregamentorepresentado. O material a ser utilizado é o aço ABNT1030L, com tensão deescoamento 300 N/mm2. Considere o coeficiente de segurança n = 4

1º) Reações nos apoios

Σ MTO A F = 0MTO A R A + MTO A P + MTO A RB = 0

R A x 0 + 8000 x 0,6 – RB x 2 = 0

0 + 4800 = 2RB → RB =2

4800 → RB = 2400 N

Ry = 0 - Σ proj y F = 0

ProjY R A + ProjY P + ProjY RB = 0

R A - 8000 + 2400 = 0 → R A - 5600 = 0 → RA = 5600 N



77



2º) Momento fletor máximo

Secção S1 → 0 ≤ X≤ 0,6 m

MF = MTO O R A → MF = 5600.XPara X = 0 → MF = 5600.0 = 0Para X = 0,6 m → MF = 5600.0,6 = 3360 Nm

Obs. Não há necessidade de se calcular a 2ª secção para a determinação do momentofletor máximo, porque para x = 2 m, o momento fletor é igual a zero.

MFmáx. = 3360 Nm = 3 360 000 Nmm

3º) Tensão admissível à flexão

f =n

e → f =

4

/300 2mm N

→ f = 75 N/mm2

4º) Módulo de resistência à flexão

f W = f

máx MF

→ f W =

275

3360000

mm

N

Nmm → Wf = 44800 mm3

5º) Diâmetro do eixo em função do módulo de resistência à flexão

Wf x =32

3d

→ 44800 mm3 =32

14,3 3d

→3

14,3

44800.32d

d = 3 351,456560 mm → d = 77 mm

S1 S2

5600 N



78



3. Dimensionar a viga de madeira da figura. Considere a tensão admissível damadeira 10 MPa e h = 1,5 b.

1 m 2 m


1º) Reações nos ApoiosΣ MTO A F = 0


R A x 0 + 9000 x 1 – RB x 3 = 0

0 + 9000 = 3RB → RB =3

9000 → RB = 3 000 N

Ry = 0 - Σ proj y F = 0


R A - 9000 + 3000 = 0 → R A - 6000 = 0 → RA = 6 000 N2°) Momento Fletor máximo

9 000 N



79




A R

= 6000 N

X

MF = MTO O R A → MF = 6000.X

Para X = 0 → MF = 6000.0 = 0 Para X = 1 m → MF = 6000.1 = 6 000 Nm

Obs. Não há necessidade de se calcular a 2ª secção, para a determinação do momentofletor máximo, porque para x = 3 m, o momento fletor é igual a zero e para X = 1m já foicalculado na secção S1.

MFmáx. = 6000 Nm = 6 000 000 Nmm

3º) Tensão admissível à flexão

f = 10 MPa = 10 N/mm2

4º) Módulo de resistência à flexao

f W = f

máx MF

→ f W =

210

6000000

mm

N

Nmm → Wf = 600000 mm3

5º) Dimensões da secção em função do módulo de resistência à flexão

Wf x =6

2bh

→ 600000 mm3 =6

2bh

→ 6.600000= bh2 → bh2 = 3600000 mm3

Como h = 1,5 b, substituindo-se, temos:

b.(1,5b)2 = 3600000 → b.2,25.b2 = 3600000 → 2,25b3 = 3600000 → b3 =25,2

3600000

b3= 1600000 → b = 3 31600000mm → b = 116,96 mm → h = 1,5 b → h = 1,5.116,96

h = 175,44 mm

4. Dimensionar a viga I, de qualidade comum CSN ABNT-EB-583 com tensão deescoamento 18 kgf/mm2, do trole em figura, para uma carga máxima de 2000 kgf.Despreze o peso próprio da viga e considere o coeficiente de segurança n = 3.



80



4 m

Considerando a carga aplicada no centro da viga, ponto crítico, temos:

S1 S2

A R

= 1000 kgf kgf F 2000

B R

= 1000 kgf

2 m 2 m


Como a carga F está no centro da estrutura, as reações R A e RB são iguais.R A = RB = 1000 kgf

2º) Momento Fletor máximo


•O

A R

= 1000 kgfX

MF = MTO O R A → MF = 1000.X Para X = 0 → MF = 1000.0 = 0 Para X = 2 m → MF = 1000.2 = 2000 kgfm

Não há necessidade de se calcular a 2ª secção, pois o momento fletor máximo, noponto crítico ( x= 2m), é igual a 2000 kgfm.MFmáx.= 2000 kgf.m = 2 000 000 kgf.mm

3º) Tensão admissível - f

n

e f

→

3/18 2

mmkgf f

→ 2/6 mmkgf f

2 000 kgf



81



8000 N

00

4º) Módulo de resistência à flexão - Wf

fX W = f

máx MF

→ fX W =

2/6

2000000

mmkgf

kgfm → WfX = 333 333,33 mm3 = 333,333 cm3

5º) Dimensões da viga I em função do módulo de resistência à flexão.Conforme tabela (anexos) a viga que deverá ser utilizada é I ( 254 x 117,5) CSN, cujomódulo de resistência à flexão, mais próximo, é Wfx = 405 cm3.

OBS.: Sempre utilize a viga que têm valores (W f ) imediatamente superior aoencontrado nos cálculos, pois assim estaremos trabalhando com maior segurança.

EXERCÍCIOS

1. Dimensionar à flexão, o eixo maciço, para que suporte com segurança o

carregamento representado. O material a ser utilizado é o aço ABNT1040L, comtensão de escoamento 360 N/mm2. Considere o coeficiente de segurança n = 4

2. Dimensionar, a flexão, um eixo para uma polia chavetada.Dados:Carga da polia = 400 kgfMaterial: aço ABNT 1050LCarregamento: alternadoTensão admissível – ver tabela de Bach

3000 N 5000 N

0,3 m 1 m 0,3 m



82



3. Dimensionar a viga I, de qualidade comum CSN ABNT-EB-583 com tensão deescoamento 18 kgf/mm2, para que suporte com segurança uma carga máxima de4000 kgf. Despreze o peso próprio da viga e considere o coeficiente de segurançan = 3.

4. Para a estrutura representada abaixo, determinar:a) as equações dos momentos fletores e esforços cortantesb) o momento fletor máximoc) o esforço cortante máximod) os diagramas do MF e esforço cortantee) as dimensões da secção da barra, considerando que o material é o aço ABNT

1020 L, carregamento intermitente e h = 2b

1000 kgf 3000 kgf

5. Dimensionar à flexão, a barra AB, da estrutura representada. Considere o material aço ABNT 1030L, carregamento estático ( ver tabela tubo quadrado).Usar coeficiente de segurança n = 2,5

b

h

kgf F 4000

1 m 2,5 m 1,5 m

A 25º B



83



Obs. Para o dimensionamento do tubo quadrado, determina-se o módulo de resistência àflexão e encontra-se as dimensões da secção em tabelas de fabricantes (ver tabela emanexo).

6. Determinar b e h e o comprimento do cabo de uma chave fixa, a fim de obter um

torque (momento de torção) de 500 kgf.cm, no parafuso, aplicando-se uma força de 25kgf na extremidade.Material: aço ABNT 3140 – Tensão de escoamento 2/650 mm N e

Utilizar coeficiente de segurança n = 7 ( carga brusca) e h = 3b

Obs.: Mt = Mf = F.L

EXERCÍCIO COMPLEMENTAR

Selecionar os materiais e dimensionar os cabos de aço, a corrente, o gancho, ahaste do pistão, os pinos A, B e D e o tubo quadrado 1 do elevador de carga da figura.Considere o coeficiente de segurança n = 5 e utilize as tabelas dos fabricantes em anexo.

h

b

Mt

Saiba Mais

Pesquise:- Livro Mecânica Técnica e Resistência dos Materiais – Sarkis Melconian- Livro Mecânica Estática – Russel Charles Hibbeler



84



7. TORÇÃO

Uma peça está sujeita a um esforço de torção, quando atua um torque em uma desuas extremidades e um contratorque na extremidade oposta.

O objetivo desse capítulo é calcular o momento torçor e dimensionar estruturasmecânicas sujeitas a solicitações de torção.

7.1 MOMENTO TORÇOR OU TORQUE

Denomina-se Momento torçor, da manivela representada na figura, o produto da

força F

pela distância entre o ponto de aplicação da carga e o centro da secção

transversal ( pólo). Para o caso da figura a distância é o raio r.

Convenção de sinais do Momento torçor.

O momento torçor é positivo se a manivela girar no sentido horário e negativo nosentido anti-horário.

Quando num eixo agem vários momentos torçores, o Mt de uma secção S é asoma algébrica de todos os momentos torçores que precedem ou seguem a secção.Exemplo:

Mt = Mt1 – Mt2



85



Exemplo

Sejam três braços de alavancas aplicadas a uma barra nos pontos A, B e C,conforme figura. Sendo as forças F1 = 200 N, F2= 300N e F3 = 400 N com braços de

alavanca d1 = 0,4m, d2 = 0,6 m e d3 = 0,8 m, determinar os momentos torcedores paracada secção.

Forças à direita da secção S

Secção S1

Mt1 = F1 x d1 → Mt1 = 200 N x 0,4 m = 80 Nm

Secção S2

Mt2 = F1 x d1 – F2d2 → Mt2 = 200 x 0,4 – 300 x 0,6 → Mt2 = 80 – 180

Mt2 = - 100 N.mSecção S3

Mt3 = F1 x d1 – F2d2 + F3 x d3 → Mt3 = 200 x 0,4 – 300 x 0,6 + 400 x 0,8Mt3 = 80 – 180 + 320 → Mt3 = 220 Nm

Para as transmissões mecânicas com polias, engrenagens, rodas de atrito, etc.,o torque atuante é dado por:

Mt = Ft . r

Ft No SI

ω Mt = torque - em NmFt = força tangencial - em N (Newton)r = raio da peça – em mvp = velocidade periférica - em m/s vp

vm = velocidade média - em m/sf = frequência – em Hz ( hertz )1 Hz = 1 rps ( rotação por segundo)ω = velocidade angular – em rad/s ( radiano/segundo)d = distância – em m ( metro)

r



86



7.2 POTÊNCIA MÉDIA DE UMA FORÇA ( Pm)

Considere uma força F

que num intervalo de tempo t realiza um trabalho .Chama-se potência média Pm da força

)(watt W s

J (no SI)

como = F . d , logo Pm =

t

d F

. mas

t

d

= vm , temos: Pm = F.vm

Para os movimentos circulares, temos:

Pm = Ft.vp

como vp = ω.r , temos: Pm = Ft. ω.r , mas Mt = Ft.r , logo Pm = Mt. ω ,

ainda, ω = 2 π f , portanto Pm = Mt.2.π.f

Outras unidades de potência

cv ( cavalo vapor) : 1cv = 735,5 Whp ( horse power) : 1 hp = 745,6 W – não é mais utilizada1 kW = 1000 W

O torque atuante, em um eixo, pode ser determinado em função da potência

transmitida ao eixo (P), a rotação (n), a velocidade angular (ω) e a frequência(f) , conforme formulário a seguir.

Pm =t



87



TORQUE UNIDADES

Mt = 71620 .n P P – em CV ( P = potência transmitida ao eixo)n - rpm (rotação por minuto)

Mt = em kgf.cm

Mt =n

P

.

.30

P – em W ( watt)n – em rpmMt – em N.m

Mt =n

P

.

.30000

P – em kW 1 kW = 1000 W

n – em rpmMt – em N.m

Mt =

P

P – em W ( watt)ω - em rad/sMt – em N.m

Como ω = 2 π f, tem-se:

Mt = f

P

..2

P – em Wf – em Hz ( hertz) - 1 Hz = 1 rps

Mt – em N.m

Mt = Ft.rFt – em N, kgf, ...r – em m, cm , mmMt – em N.m, N.cm, N.mm, kgf.cm, kgf.mm, ....

7.3 MÓDULO DE RESISTÊNCIA POLAR ( WP) OU MÓDULO DE TORÇÃO (Wt)

Utiliza-se o módulo de resistência polar ou módulo de resistência à torção nodimensionamento de elementos submetidos a esforço de torção. Quanto maior o módulode resistência polar da secção transversal de uma peça, maior a sua resistência à torção.

O módulo de resistência polar é obtido em tabelas (ver Projetista de MáquinasPro-Tec). Segue tabela, do módulo de resistência polar, para algumas secçõestransversais.



88



SECÇÃO MOMENTO DE

INÉRCIA POLAR ( JP)

MÓDULO DE

RESISTÊNCIA À

TORÇÃO (Wt) OU

MÓDUO DE

RESISÊNTIA POLAR( WP)

12

)(. 22 hbhb J P

b

h

bhW P

8,13

2

6

4a J P

3322,0

9

2aaW P

32

4d J P

16

3d W P

32

44 d D J P

D

d DW P

16

44



89



632

44ad

J P

d

a

D

d W P

316

43

8

.35

32

44 ad J P

d

ad W P

4

.35

16

43

44.12,0

8.35 ba J P

3

.2,0 bW P

48

.3 4a J P

20

3aW P

Saiba Mais

Pesquise no livro Projetista de Máquinas – Pro-Tec - Engº. Francesco Provenza – Formulário mais completo do módulo de resistência polar.



90



7.4 TENSÃO DE CISALHAMENTO NA TORÇÃO ( )

A tensão de cisalhamento atuante na secção transversal de uma peça sujeita asolicitação de torção é definida através da seguinte relação:

No SI

= p

t

W

M N/m2

Outras unidades : N/cm2 , N/mm2, kgf/cm2, kgf/mm2 Mt = momento torçor ou torque ( Nm, Ncm, Nmm, kgfcm, kgfmm...)WP = módulo de resistência polar ou módulo de resistência à torção ( m3, cm3, mm3)

7.5 DIMENSIONAMENTO – TORÇÃO

I. Momento Torçor (Mt) - ver formulário do Momento Torçor

II. Tensão Admissível na Torção ( t )

III. Módulo de Resistência Polar (WP)

IV. Dimensões da secção da peça em função do módulo de resistência polar.(Ver formulário do módulo de resistência polar).

EXEMPLOS

1. Dimensionar o eixo de um motor de 8 CV, girando a 500 rpm.Material: aço ABNT 1040 laminadoCarregamento intermitente (II)

WP =t

Mt



91



Solução:

1º) Momento Torçor (Mt)

Mt = 71620 .n

P

→

Mt = 71620 .500

8

→ Mt = 1 145,92 kgf.cm = 11459,2 kgf.mm

2º) Tensão Admissível na torção (t

Mt

)

Aço ABNT 1040 L , carregamento intermitente (II) →t

Mt

= 6 kgf/mm2

3º) Módulo de resistência Polar ( WP)

WP =t

Mt

→ WP =

26

.2,11459

mm

kgf

mmkgf

→ WP = 1909,87 mm3

4º) Diâmetro do eixo em função do módulo de resistência polar ( W p)

16

3d

W P

→ formulário módulo de resistência polar

16

14,387,1909

33 d

mm

→3

14,3

1687,1909d

x → d3 = 9731,82 mm3

3 382,9731 mmd → d = 21,35 mm

2. Dimensionar a extremidade da secção quadrada de lado “a” da chave, sabendo -seque a carga máxima a ser aplicada em cada extremidade é de 150 N. O material aser utilizado é o aço ABNT 1050 laminado com tensão de escoamento igual a 400MPa.Como a chave estará submetida a carga de variação brusca recomenda-se utilizar ocoeficiente de segurança n = 8.



92



Solução:

1º) Momento torçor ou torque

Mt = Ft.r → Mt = 150 N x 220 → Mt = 33000 N.mm

2º) Tensão Admissível (t

Mt

)

t

Mt

=

n

e →

t

Mt

=

8

4002

mm

N

→t

Mt

= 50 N/mm2

3º) Módulo de Resistência Polar

WP =t

Mt

→ WP =

250

.33000

mm

N

mm N

→ WP = 660 mm3

4º) Lado a da secção em função do módulo de resistência polar

322,0 aW P

660 mm3 = 0,22 a3 → 22,0

660= a3 → a3 = 3000 mm3 → a = 3 33000mm

a = 14,42 mm

2. Dimensionar o eixo-árvore vazado com relação entre os diâmetros igual a 1,8 paratransmitir uma potência de 30 kW a uma frequência de 20 Hz. O material a serutilizado é o aço ABNT 1045 L, sendo a tensão admissível indicada para o caso é 50

N/mm2

.Solução:

Dados:P = 30 kW = 30000 WF = 20 Hz

t

Mt

= 50 N/mm2

8,1d

D

→ D = 1,8.d

1º) Momento torçor ou torque

Mt = f

P

..2

Mt =20.14,3.2

30000 → Mt = 238,853 N.m = 238853 Nmm

2º) Tensão Admissível ( t )

t = 50 N/mm2



93




WP =t

Mt

→ WP =

250

.238853

mm

N

mm N

→ WP = 4777,06 mm3

4º) Diâmetros D e d da secção em função do módulo de resistência polar

D

d DW P

16

44

→

D

d Dmm

16

14,306,4777

443

→

D

d D 44

14,3

16.06,4777

D

d D 44

= 24341,71 mm3 → como D = 1,8.d, substituindo-se temos:

71,24341

8,1

)8,1( 44

d

d d

→ 71,24341

8,1

15,10 44

d

d d

→ 71,24341

8,1

5,9 4

d

d

5,28 d3 = 24341,71 → 28,5

71,243413 d → d3 = 4610,17 mm3 → d= 3 317,4610 mm

d = 16,64 mmD = 1,8d → D = 1,6 x 16,64 → D = 29,95 mm

3. Um eixo-árvore de aço possui diâmetro d = 40 mm, gira com uma velocidade angularω= 30 π rad/s , movida por uma força tangencial Ft = 8 000 N.Determine:

a frequência ( f)

a rotação (n) - rpma velocidade periférica (vp)a potência (P)o torque ( Mt)

Solução:

frequênciaω = 2 π f

30 π rad/s = 2 π f → f

2

30 → f = 15 Hz

rotação (n)f = 15 Hz = 15 rps ( rotação por segundo)n = 15 rps x 60 = 900 rpm

velocidade periférica (vp)d = 40 mm → r = 20 mm = 0,02 m vp = ω.r → vp = 30 π rad/s x 0,02 m → vp = 30x3,14x0,02 → vp = 1,884 m/s

Potência (P)P = Ft.vp → P = 8 000 N x 1,884 m/s → P = 15 072 W

Torque ( Mt)

Mt = Ft . r → Mt = 8000 N x 0,02 m → Mt = 160 Nm



94



EXERCÍCIOS

1. Calcular o diâmetro do eixo da figura, considerando que é maciço e capaz de transmitirum momento de 500 kgf.m. O material a ser utilizado é o aço ABNT 1040 laminado e ocarregamento é intermitente (II).Tensão admissível de cisalhamento na torção ver tabela de Bach.

2. Dimensionar o eixo-árvore vazado com relação entre os diâmetros igual a 2

( 2d

D) para transmitir uma potência de 20 000 W, girando com uma rotação de 1200

rpm. O material a ser utilizado é o aço ABNT 1045 L, sendo a tensão admissívelindicada para o caso é 50 N/mm2.

3. Na figura a seguir, a secção quadrada da chave, para apertar peças na placa do tornoestá sujeita a uma torção. Considerando que a força F aplicada em cada lado do caboseja de 10 kgf, determinar o lado a da secção.Considere o material aço ABNT 1040 L ( tensão de ruptura a cisalhamento rc = 39,75

kgf/mm2 e o coeficiente de segurança indicado para o caso n = 8 ( carga de variação

brusca). 10 cm 10 cm



95



4. Dimensionar a haste da chave soquete, considerando a carga máxima aplicada iguala 250 N, material aço ABNT 3140 (aço Cr: Ni), tensão de escoamento 650 Mpa.Utilizar coeficiente de segurança n = 7.

5. Um eixo-árvore de secção transversal constante, com diâmetro igual a 40 mm,transmite uma potência de 40 000 W a uma freqüência de 60 Hz. Pede-se determinarno eixo:

a. a velocidade angularb. a rotaçãoc. o torque atuanted. a tensão máxima atuante.

6. No sistema de transmissão da figura, determinar o diâmetro do eixo de aço ABNT1040 L que deve transmitir uma potência de 20 CV, a 500 rpm, sujeito acarregamento alternado.

Tensão admissível à torção – ver tabela de Bach

d



96



8. FLEXO-TORÇÃO

Em alguns casos, um eixo deve resistir tão bem à tensão de flexão como a detorção.

Se a tensão de flexão é muito grande e afeta de maneira apreciável na resistênciado eixo, esse deve ser calculado através da fórmula de momento composto ou momentoequivalente, que resulta das ações das duas tensões consideradas.

O objetivo desse capítulo é dimensionar eixos sujeitos a solicitações compostas deflexão e torção (flexo-torção).

FÓRMULAS DO MOMENTO EQUIVALENTE

Mf = momento fletorMt = momento torçor máximoMe = momento equivalente

1ª) Fórmula de Guest, usada para secções circulares e material aço doce.

Me = 22 Mt Mf

2ª) Fórmula usada para materiais maleáveis, tais como, aço dúctil, cobre, latão macio etubos de aço dúctil.

Me = 1,3 22 Mt Mf

3ª) Outra fórmula comumente usada por alguns autores, e considerada como sendo oMomento Ideal.

Me = Mf + 22 Mt Mf

4ª) Fórmula de Grashof para materiais frágeis como o ferro fundido, aço de ferramentas,bronze duro e outros materiais de baixa estricção.

Me =8

5

8

3 Mf 22

Mt Mf

OBS. Para calcular um eixo sujeito a momento composto, (flexo-torção) o momentoequivalente obtido por meio de uma das fórmulas anteriores, é introduzido na equação deresistência à torção, conforme segue:

t =Wp

Me



97



Para o dimensionamento a flexo-torção, temos:

WP =

t

Me

Me = Momento equivalenteWp = Módulo de resistência polar

t = tensão admissível à torção

Exemplo

Determinar o diâmetro do eixo da figura, considerando: P = 200 kgf ; F1 = 1400 kgf;F2

= 400 kgf; r = 300 mm ; material do eixo , aço ABNT1030 L; carregamento alternado,sem choque.

Tensão admissível = 3,5 kgf/mm2

0,8 m 1,2 m

1º) Cálculo do momento torçor

Mt = F1.r – F2. r

Mt = 1400.300 – 400.300 → Mt = 420 000 – 120 000 → Mt = 300 000 kgf.mm

2º) Cálculo do Momento Fletor máximo


F = 1400 kgf + 400 kgf + 200 kgf

F = 2 000 kgf

r A

B

P

1 F

2 F



98



S1 F

= 2000 kgf S2

A B

A R

B R

0,8 m 1,2 m

Σ MTO A F = 0


R A x 0 + 2000 x 0,8 – RB x 2 = 00 + 1600 = 2RB → RB =

2

1600 → RB = 800 kgf

Ry = 0 - Σ proj y F = 0


R A - 2000 + 800 = 0 → R A - 1200 = 0 → RA = 1200 kgf

Momento Fletor máximo

Secção S1 → 0 ≤ X≤ 0,8 m

X

MF = MTO O R A → MF = 1200.XPara X = 0 → MF = 1200.0 = 0Para X = 0,8 m → MF = 1200.0,8 = 960 kgfm

MFmáx. = 960 kgfm = 96000 kgfcm

.O



99



3º) Momento Equivalente

Utilizando a fórmula do momento equivalente considerada ideal, temos:

Me = MF + 22

t M MF

Me = 96000 + 22 30000096000 → Me = 96000 + 10109216,9 x

Me = 96000 + 314986 → Me = 410 986 kgf.cm

Me = 4 109 860 kgf.mm

4º) Tensão admissível de cisalhamento na torção

Aço 1030 L – carregamento alternado → t = 3,5 kgf/mm2


WP =t

Me

→ WP =

2/5,3

4109860

mmkgf

kgfmm

→ WP = 1 174 245,71 mm3

6º) Diâmetro do eixo em função do módulo de resistência polar

WP =16

3

d → 3.16 d W P

→ d = 3 .16

P W → d = 3

14,371,1174245.16

d = 181,54 mm



100



ANEXOS

Coeficiente de Poisson Módulo de Elasticidade Longitudinal em MPa Peso Específico Coeficiente de dilatação linear Módulo de Elasticidade Transversal em MPa Tensões Tensão de Ruptura, Tensão de Escoamento e Tensão Admissível Módulo de Elasticidade Longitudinal (E) e Módulo de Elasticidade Transversal

(G) em kgf/cm2 Cabos de Aço Tubo Quadrado Correntes Módulo de Resistência à Flexão



101



TABELAS

Tabela 1 – Coeficiente de Poisson (v)

Material v Material v

Aço 0,25 – 0,33 Latão 0,32 – 0,42

Alumínio 0,32 – 0,36 Madeiracompensada

0,07

Bronze 0,32 – 0,35 Pedra 0,16 – 0,34

Cobre 0,31 – 0,34 Vidro 0,25

Fofo 0,23 – 0,27 Zinco 0,21

Tabela 2 – Módulo de Elasticidade Longitudinal

Material Módulo deelasticidade

E ( MPa)

Material Módulo deelasticidade

E ( MPa)Aço 210 000 Latão 117 000

Alumínio 70 000 Ligas de Al 73 000

Bronze 112 000 Ligas de Chumbo 17 000

Cobre 112 000 Ligas de Estanho 41 000

Chumbo 17 000 Ligas de magnésio 45 000Estanho 40 000 Ligas de titânio 114 000

Fofo 100 000 Magnésio 43 000

Fofo Modular 137 000 Monel (liga níquel) 179 000

Ferro 200 000 Zinco 96 000

OBS. MPa = megapascal - 1 MPa = 1 N/mm2



102



Tabela 3 – Peso específico dos materiais

Material Peso específico (N/m3)

Material Peso específico (N/m3)

Aço 7,70 x 104

Gasolina 15ºC 8,30 x 103

Água destilada 4ºC 9,80 x 10 Gelo 8,80 x 10

Alvenaria tijolo 1,47 x 104 Graxa 9,00 x 103

Alumínio 2,55 x 104 Latão 8,63 x 104

Bronze 8,63 x 104 Leite (15ºC) 1,02 x 104

Borracha 9,30 x 103 Magnésio 1,72 x 104

Cal Hidratado 1,18 x 104 Níquel 8,50 x 104

Cerveja 1,00 x 104 Ouro 1,895 x 105

Cimento em pó 1,47 x 104 Papel 9,80 x 103

Concreto 2,00 x 104 Peroba 7,80 x 103

Cobre 8,63 x 104 Pinho 5,90 x 103

Cortiça 2,40 x 103 Platina 2,08 x 105

Chumbo 1,10 x 105 Porcelana 2,35 x 104

Diamante 3,43 x 104 Prata 9,80 x 104

Estanho 7,10 x 104 Talco 2,65 x 104

Ferro 7,70 x 104 Zinco 6,90 x 104

Tabela 4 – Coeficiente de dilatação linear dos materiais

Material Coeficiente dedilatação Linear

α ( ºC-1)

Material Coeficiente dedilatação Linear

α ( ºC-1)

Aço 1,2 x 10-5 Latão 1,87 x 10-5

Alumínio 2,3 x 10-5 Magnésio 2,6 x 10-5

Baquelite 2,9 x 10-5 Níquel 1,3 x 10-5

Bronze 1,87 x 10-5 Ouro 1,4 x 10-5

Borracha (20ºC) 7,7 x 10- Platina 9,0 x 10-

Chumbo 2,9 x 10- Prata 2,0 x 10-

Constantan 1,5 x 10-5 Tijolo 6,0 x 10-6

Cobre 1,67 x 10-5 Porcelana 3,0 x 10-6

Estanho 2,6 x 10-5 Vidro 8 x 10-6

Ferro 1,2 x 10-5 Zinco 1,7 x 10-5



103



Tabela 5 - Módulo de Elasticidade Tabela 6 – Tensões Transversal

Material Módulo deElasticidadeTransversal

( MPa) Aço 80 000 Alumínio 26 000Bronze 50 000Cobre 45 000Duralumínio14

28 000

Fofo 88 000Magnésio 17 000Nylon 10 000Titânio 45 000

Zinco 32 000

Material Tensão deEscoamento

σe (MPa)

Tensão deRupturaσr ( MPa)

Aço Carbono ABNT 1010 L 220 320

1010 T 380 420 ABNT 1020 L 280 360

1020 T 480 500 ABNT 1030 L 300 480

1030 T 500 550 ABNT 1040 L 360 600

1040 T 600 700 ABNT 1050 L 400 650 Aço Liga

ABNT 4140 L 650 7804140 T 700 1000

ABNT 8620 L 440 7008620 T 700 780

Ferro FundidoCinzento - 200Branco - 450Preto F - 350

P - 550Modular - 670Materiais não

ferrosos Alumínio 30 - 120 70 – 230Duralumínio 14 100 - 420 200 – 500Cobre Telúrio 60 - 320 230 – 350Bronze deníquel

120 - 650 300 – 750

Magnésio 140 - 200 210 – 300Titânio 520 600Zinco 290Materiais nãometálicosBorracha 20 – 80

Concreto 0,8 - 7MadeirasPeroba 100 – 200Pinho 100 – 120Eucalipto 100 – 150PlásticoNylon 80Vidro plano 5 - 10L – Laminado F -FerríticoT – Trefilado P- Perlítico



104



Tabela 7 - Tensão de ruptura, tensão de escoamento e tensão admissível

TENSÃO DE RUPTURA À TRAÇÃO E TENSÃO DE ESCOAMENTO

CLASSIF.ABNT

AÇOS AÇOS FUNDIDOS

1010 1020 1030 1040 1050 3525AF

4524AF

6015AF

6020AF

7010AF

Lam. Tref. Lam. Tref. Lam. Tref. Lam. Tref. Lam. Tref.

σrt

(kgf/mm2) 33 37 39 43 48 53 53 60 63 70 35 45 60 60 70σe

(kgf/mm2) 18 31 21 36 26 45 29 50 35 59 22 42

SOLI-CITA-ÇÃO

CAR-REGA-MEN-TO

TENSÃO ADMISSÍVEL SEGUNDO BACH ( kgf/mm2)

t

I 8,0 10,0 10,0 14,0 12,5 15,5 14,0 21,0 16,5 22,0 6,5 -10,0

9,5-11,0

12,5-19,0

12,5-19,0

14,0-21,0

II 5,0 6,5 6,5 9,0 8,5 10,0 9,5 13,5 12,5 14,5 4,5 – 6,5

6,5 -8,5

8,0 – 12,0

8,0 -12,0

9,0-13,0

III 3,5 4,5 4,5 6,5 6,0 7,5 7,0 9,0 8,0 10,0 3,0 – 4,5

4,5 – 7,0

5,5-8,5

5,5-8,5

6,0 -9,5

c

I 8,0 10,0 10,0 14,0 12,5 15,5 14,0 21,0 16,5 22,0 7,5 – 10,5 9,5-11,0 14,0-19,5 14,0-19,5 15,0-22,0

II 5,0 6,5 6,5 9,0 8,5 10,0 9,5 13,5 12,5 14,5 4,5-7,0

7,0 -10,5

8,5-13,0

8,5-13

9,5 – 14,5

III 3,5 4,5 4,5 6,5 6,0 7,5 7,0 9,0 8,0 10,0 3,0 – 4,5

4,5 -7,0

5,5 -8,5

5,5 -8,5

6,0 -9,5

f

I 8,5 11,0 10,5 15,0 13,0 17,0 14,5 23,0 17,0 23,0 7,0 – 11,0

10,0 – 11,5

13,5-19,5

13,5-19,5

15,0-22,0

II 5,5 7,0 7,0 10,0 9,5 11,0 10,5 15,0 14,0 16,0 4,5-7,0

7,0 – 10,5

8,5 – 13,0

8,5 – 13,0

9,5 – 14,5

III 4,0 5,0 5,0 7,0 6,5 8,0 7,5 10,5 9,5 11,5 3,5 – 5,0 5,0 – 7,5 6,0 – 9,0 6,09,0 7,0 -10,5

t

I 5,0 6,5 6,5 8,5 8,0 10,0 9,5 12,5 11,5 13,5 4,5 – 6,5

6,5 – 9,5

8,0 – 12,0

8,0 – 12,0

9,013,0

II 3,0 4,0 4,0 5,5 5,0 6,5 6,0 8,0 7,0 9,0 2,5-4,0

4,0-6,0

4,5-7,5

4,5 – 7,5

5,5-8,4

III 2,0 3,0 3,0 4,0 3,5 5,0 4,5 6,0 5,0 7,0 2,0 – 3,0

3,0 – 4,5

3,5 – 5,5

3,5 – 5,5

4,0 – 6,0



105



I – CARREGAMENTO ESTÁTICO II – CARREGAMENTO INTERMITENTE III – CARREGAMENTO ALTERNADO

tempo

tempo tempo

σrt - tensão de ruptura à traçãoσe - tensão de escoamento

t - tensão admissível à tração c - tensão admissível à compressão f - tensão admissível à flexão t - tensão admissível na torção

Tabela 8 – Módulo de Elasticidade Longitudinal (E) e Módulo de ElasticidadeTransversal (G)

MATERIAL MÓDULO DE ELASTICIDAE

E ( kgf/cm ) G ( kgf/cm ) Aço fundido 2 000 000 850 000 Aço para estrutura 2 000 000 850 000 Aço doce 2 200 000 850 000 Aço meio carbono 2 000 000 850 000 Aço duro 2 000 000 850 000 Alumínio fundido 700 000 - Alumínio laminado 700 000 -Borracha 1 000 -

Bronze fosforoso 1 000 000 -Cobre em fios 1 200 000 -Cobre laminado 1 200 000 480 000Concreto 144 000 -Duralumínio 750 000 -Ferro fundido 800 000 -Ferro forjado 2 000 000 700 000Latão comum 650 000 -

máx

máx +

máx -



106



Tabela 9 – Cabos de aço



107





108





109





110



Tabela 10 – Tubo Quadrado



111





112





113





114





115





116



Tabela 11 - Correntes

Fonte: Rodex Equipamentos Industriais LTDA (www.rodex.com.br)



117



Tabela 11 – Módulo de Resistência à Flexão ( Wx e Wy )Perfis I - Padrão Americano



118



II - ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS

Neste capítulo você conhecerá alguns tipos de ensaios mecânicos de materiais a que sãosubmetidos os materiais utilizados na indústria, processos de ensaios, procedimentos decálculos, e o processamento dos dados obtidos através destes.Características de materiais obtidas através dos ensaios são fundamentais para odimensionamento de elementos estruturais. Pode-se definir ensaio como a observaçãodo comportamento de um material quando submetido à ação de agentes externos comoesforços e outros. È por meio deles que se verifica se os materiais apresentam aspropriedades que os tornarão adequados ao uso.Os ensaios são executados sob condições padronizadas, em geral definidas por normas,de forma que seus resultados sejam significativos para cada material e possam serfacilmente comparados.São apresentados diversos tipos de ensaios tais como: Ensaio de tração, compressão,cisalhamento, flexão, fadiga, impacto, e outros. Verá ainda sobre a dureza dos materiais(Vickers, Rockwell, Brinell).



119



1 ENSAIO DE TRAÇÃO

O ensaio de tração é o mais utilizado para determinar as propriedades deresistência dos materiais influenciando diretamente no dimensionamento de elementosmecânicos.

1.1. Curva Tensão-deformação de Engenharia

No ensaio de tração um corpo-de-prova é submetido a uma força de traçãouniaxial de modo contínuo e crescente enquanto são feitas observações simultâneas daelongação do corpo-de-prova.

A curva tensão-deformação de engenharia é construída a partir das medidas decarga e da elongação, e os pontos significativos dessa curva são:

- Tensão limite de escoamento.- Resistência à tração.- Elongação percentual.- Redução de área.

Obs: Os dois primeiros são parâmetros de resistência e os dois últimos são umaindicação da ductilidade.

1.1.2. Tensão

De um modo geral, a tensão é definida como a resistência interna que m corpooferece a ação de uma força aplicada sobre ele, por unidade de área. A tensão utilizada nessa curva tensão-deformação é a tensão longitudinal média

no corpo-de-prova.

1.1.3. Deformação

É definida como a variação de uma dimensão qualquer do corpo, por unidade demesma dimensão, quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer.

A divisão da elongação do comprimento útil do corpo-de-prova, pelo seucomprimento original, é a deformação linear média.

1.1.4. Curva Tensão-Deformação

A curva Tensão-Deformação é obtida em uma máquina de ensaios onde sobre umcorpo-de-prova são aplicadas cargas crescentes. Obtém-se daí um gráfico relacionandoas forças aplicadas com as deformações ocorridas. A máquina aplica uma força e produzuma deformação no comprimento, que são traduzidos em tensão e deformação.



120



Figura 1: Curva Tensão-Deformação

Figura 2: Limite de escoamento.

Uma vez que tanto a tensão como a deformação são obtidas pela divisão dacarga e da elongação por fatores constantes, a curva carga-deformação terá a

mesma forma da curva tensão-deformação de engenharia. As duas curvas sãoutilizadas indistintamente. A forma e a magnitude de uma curva tensão-deformação de um metal dependerá

da sua composição, tratamento térmico, história anterior da deformação plástica e dataxa de deformação, temperatura e estado de tensões impostas durante o ensaio.

1.1.5. Zonas da Curva Tensão-Deformação

As zonas da curva tensão-deformação definem o comportamento do metal emrelação ao tipo de deformação.

Na Região elástica, parte reta da curva, a tensão é proporcional à deformação.Quando a carga ultrapassa o valor correspondente ao limite de escoamento, o C.P. sofre

deformação plástica generalizada. A partir desse ponto, o C.P. estará permanentementedeformado.

O volume do corpo-de-prova permanece constante durante a deformação plástica.Conforme o corpo-de-prova se alonga a seção transversal decresce uniformemente aolongo do comprimento útil. Inicialmente o encruamento compensa a diminuição de áreada seção, e a tensão de engenharia continua a aumentar com o aumento da deformação.Eventualmente, atinge-se um ponto onde a diminuição de área da seção reta do corpo-de-prova é maior que o aumento de carga de deformação proveniente do encruamento.Essa condição será atingida primeiramente em algum ponto do corpo-de-prova que éligeiramente mais fraco do que o resto. Toda a deformação plástica posterior seráconcentrada nessa região, onde iniciará a se formar um pescoço, afinando o corpo-de-prova, fazendo com que a área da seção resistente diminua mais rapidamente do que oaumento de carga de deformação pelo encruamento. A carga necessária para deformaro corpo diminuirá e a tensão de engenharia igualmente irá cair até atingir a fratura.

Patamar de escoamento



121



Figura 3: Deformações no corpo-de-prova em um aço durante o ensaio.

1.1.6. Resistência à Tração

A resistência à tração ou tensão máxima (ultimate tensile strenght – UTS) é acarga máxima dividida pela área da seção transversal inicial do corpo-de-prova.

R = Pmáx. / So

Esse valor de resistência é o valor mais freqüentemente citado nos resultados doensaio de tração, apesar de, na realidade, ser um valor com muito pouca importânciafundamental com relação à resistência do material.

A aproximação mais racional é basear o projeto na tensão limite de escoamento.Entretanto, devido a longa prática de uso, a resistência à tração é utilizada paradeterminar a resistência, sendo uma identificação útil da mesma maneira que é acomposição química.

1.1.7. Medidas do Limite de Escoamento

Na maioria dos metais existe um transição gradual do comportamento elásticopara o comportamento plástico, e o ponto onde a deformação plástica inicia é difícil deser definido com precisão.

Para simplificar a determinação desse limite foi criado o limite de escoamentodimensional que é a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade específicade deformação plástica.

1.1.8. Módulo de Elasticidade

A inclinação da região linear da curva tensão-deformação é o módulo deelasticidade ou módulo de Young. O módulo de elasticidade é uma medida de rigidez do

Figura 4 : Representaçãodas tensões importantes noensaio de tração.



122



material. Quanto maior o módulo de elasticidade menor é a deformação elásticaresultante da aplicação de uma determina carga.

Em 1676 expressou: "a tensão resultante da aplicação de uma força em ummaterial é diretamente proporcional à sua deformação". Esta expressão ficou conhecidacomo Lei de Hooke.

A lei de Hooke pode ser expressa da seguinte maneira:

= E.

Uma vez que a deformação é adimensional a unidade do Módulo de Elasticidade,para satisfazer a equação acima, deve ser a mesma unidade da tensão, por exemplo:N/mm2.

Deve-se salientar que a Lei de Hooke é válida somente para o trecho reto dodiagrama tensão-deformação, ou seja, até o ponto conhecido como limite de elasticidade.

O Módulo de Elasticidade (E) é uma grandeza que é função do material do qual abarra é feita, ou seja, cada material tem o seu Módulo de Elasticidade.

O módulo de elasticidade de um metal ou liga, para uma mesma temperatura, nãomuda. A figura abaixo mostra o exemplo do aço em varais condições de composição e detratamento térmico.

Figura 5: Curvas Tensão-deformação de vários tipos de aços.



123



Tabela 1: Módulo de elasticidade de diversos materiais.

Figura6: Variação do módulo de elasticidade com a temperatura para aço, alumínio etungstênio.

Tungstênio

Aço

Alumínio



124



1.1.9. Deformações em Barras sob Tração

1.1.9.1. Realização do Ensaio de Tração

Os seguintes passos são seguidos ao realizar o ensaio de tração:

1º)Toma-se uma barra circular de material homogêneo, com uma determinadaseção transversal A0. Sobre esta barra, marca-se dois pontos distantes L0 um do outro.

2º) Submete-se esta barra a uma força normal N que aumenta gradativamente.3º) Para cada valor de N, mede-se as modificações no diâmetro.4º) Para cada valor de N, calcula-se a tensão s = N / A 0, ou seja, a medida que

altera-se o valor da carga aplicada, altera-se o valor da tensão.5º) Marca-se em gráfico os valores de s x e obtendo-se então o diagrama tensão -

deformação.

Figura 7: A: área de seçãotransversal da barra L:comprimento inicial da barra N=P:Força aplicada à barra LP:Variação no comprimento da

barra devido a força P

LP = (N.L)/(A.E)



125



Figura 8: Diagrama tensão deformação e as suas etapas.

1.1.9.2. Corpos-de-prova

a) Preparação para o EnsaioPara obter-se os resultados de deformação durante o ensaio é necessário preparar ocorpo-de-prova.

Figura 10: C.P. para ensaio

Figura 9: Diagrama tensão-deformação comparando material dúctil com material frágil



126



Figura 11: Preparação dos CPs para o ensaio

Se o CP não romper no meio, contar para os dois lados o mesmo número de

divisões, acrescentando para o lado oposto ao menor lado, o número de divisõesnecessárias para completar 5 divisões.

Exemplo:

Na figura 11b tempos 3 divisões na lado menor. Então, contamos 3 divisões parao outro lado, e acrescentamos mais 2 divisões par completar 5 divisões.

A deformação total será medida da seguinte forma:

A = Lf-Lo/Lo

O alongamento será igual comprimento das oito divisões finais menos o L das

oito divisões antes do ensaio, divido pelo comprimento das oito divisões iniciaismultiplicado por cem.

b) Normalização dos Corpos-de-prova

As dimensões dos CP´s são definidas por norma. O quadro a seguir mostra asdimensões definidas pelas normas ABNT e ASTM.



127



Figura 12: Corpos-de-prova normalizados

Tabela 2: Dimensões dos Corpos-de-prova



128



1.1.10. ResiliênciaÉ a É a capacidade do material absorver energia quando deformado elasticamente,sendo que depois de retirada a força, o material devolve essa energia absorvida.

1.1.10.1. Módulo de ResiliênciaÉ Energia de deformação requerida por unidade de volume para levar o material atéa tensão de escoamento a partir de um estado descarregado ( Unidade de Resiliência -N.mm/m3

1.1.11. Tenacidade

É a capacidade do material absorver energia até a fratura. A geometria do CP bem

como o modo de aplica a carga são importantes.

- Carregamento rápido - Ensaio de impacto.- Carregamento estático – Área sobre acurva tensão-deformação até a fratura.- Unidade de Tenacidade – N.mm/m3 .

UR = e/2E

Tabela 3: Dados do ensaio de tração para vários materiais

Figura 13: O módulo de resiliênciaé definido pela área abaixo dacurva na região elástica.



129



1.1.12. Efeito da Deformação a Frio

O material deformado a frio apresentará encruamento, modificando as propriedadesmecânicas conforme mostra o diagrama a seguir.

Figura 14: Influência da deformação a frio sobre as propriedades mecânicas.

1.1.13. Limite de Escoamento Convencional

Na prática, muitos materiais não apresentam um patamar de escoamento muitodefinido, e muitas vezes é muito difícil determinar em que ponto da reta ao deformaçãomuda de elástica para plástica.

Por isso convencionou-se valores de deformação para os quais se determina atensão, que será a adotada para limite de escoamento.

Os valores mais comuns adotados são os seguintes:

n = 0,2% (para metais e ligas em geral).n = 0,1% ( para aços e ligas ferrosas mais duras).

N = 0,01% (aço-mola)

A determinação do limite de escoamento convencional é realizado da seguinteforma:

Figura 15: Determinação do limite de escoamento convencional.



130



Marca-se o valor de deformação e a partir desse ponto traça-se uma reta paralelaa parte reta da curva tensão-deformação. A partir do ponto de intersecção da reta traçadacom a curva de ensaio, traça-se uma reta paralela a reta das deformações, determinandoum ponto na reta das tensões.

1.1.14. Velocidade de Ensaio

A velocidade de ensaio é geralmente determinadas por normas técnicas. Para fins deestudo essa velocidade pode ser alterada. A variação de velocidade de ensaio serádeterminada pela máquina de ensaio.De um modo geral os métodos de ensaio determinam a velocidade em torno de 9,8

Mpa / s.

2. ENSAIO DE COMPRESSÃO

A compressão é um esforço axial que tende a encurtar o corpo. Da mesma forma queo ensaio de tração, esse ensaio pode ser realizado na máquina universal de tração. Asrelações que valem para a tração valem também para a compressão. Isso significa queum corpo sujeito a compressão pode estar submetido a deformações elásticas edeformações plásticas.

(a)

(b)

Figura 17: Deformação elástica (a) elástica; (b) plástica

A = (Lo - Lf) / Lf x 100

2.1. Campo de Aplicação

Não é usual a aplicação desse ensaio em metais pois o ensaio é dificultado por:- Atrito entre CP e as placas da máquina.- Possibilidade de flambagem do CP.- Dificuldade de obter as medidas do ensaio.



131



2.1.1. Flambagem

Ocorre principalmente em CPs onde o comprimento é muito maior em relação a

altura. Por isso, a altura do CP deverá ser limitada dependendo da ductilidade do material(comprimento de 3 a 8 vezes o diâmetro).

Deverá haver o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento de ensaio,centrando bem o CP.

2.1.2. Condições de Ensaio

As condições de ensaio permitem avaliar propriedades específicas dependendo docomportamento do material à fratura.

a) Materiais Dúcteis: Só é possível determinar com precisão as propriedades dazona elástica.

b) Materiais Frágeis: Permite avaliar limite de ruptura e limite de resistência, quecoincidem para esse materiais.

Figura 18: material dúctil esmaga e não rompe

Figura 19: material frágil rompe a 45º

No material dúctil a deformação lateral é apreciável e a deformação vai ocorrendosem que haja ruptura do CP.

CP Antes

CP depois

CP depois

Fratura a 45º

CP antes



132



Figura 20: Deformação de material dúctil

2.1.3. Ensaio de Compressão em Produtos Acabados

O ensaio de compressão pode ser utilizado para avaliar a resistência de produtosacabados como tubos, onde se aplica uma carga e verifica-se a ocorrência de trincas oufissura. Em molas aplica-se o ensaio para determinar o coeficiente de mola.

O achatamento de tubos é realizado para verificar a ocorrência de fissuras nasparedes dos tubos, quando submetidos a uma certa pressão, ou verificar se existemcosturas de solda (tubo fechado com solda) ou não.

Figura 21: Achatamento de tubos

Outra aplicação do ensaio de compressão em metais, é a avaliação da resistênciade molas e a determinação de sus constantes (constante de mola , k)

Figura 22: Compressão em molas.



133



3. ENSAIO DE CISALHAMENTO

No caso do cisalhamento, a força é aplicada no corpo na direção perpendicular ao

seu eixo longitudinal. Essa força, cortante, é aplicada no plano da seção transversal,provoca o cisalhamento.

A resistência do material ao cisalhamento pode ser determinada pelo ensaio decisalhamento.

Figura 23: Dispositivo para ensaio de rebites e parafusos.

O dispositivo é fixado numa máquina de ensaio de tração universal, e se aplicauma tensão de tração ou de compressão. No caso de ensaio de soldas utiliza-se pinossemelhantes aos utilizados no ensaio de pinos, utilizando-se junções soldadas.

Região decisalhamento

Corpo-de-prova

Parafusode fixação

F

F



134



Figura 24: cisalhamento com extremidade livre.

Nesse ensaio, determina-se somente a tensão de cisalhamento, isso é, o valorque provoca a ruptura da seção transversal.

TC = F/So (Tensão de cisalhamento)

A realização de sucessivos ensaios mostrou que existe uma relação constanteentre tensão de cisalhamento e tensão de tração. Na prática, considera-se a tensãocisalhante equivalente a 75% da tensão de tração.

Em linguagem matemática,

TC= 0,52.LR

3. 1. Aplicação Prática

O conhecimento da relação entre a tensão de cisalhamento e tensão de tração,permite resolver inúmeros problemas práticos, como o número de rebites necessáriospara unir duas chapas, sem recorrer ao ensaio de cisalhamento.

Nº de rebites = F/(TC x So)

Exemplo 1:

Duas chapas deverão ser unidas por rebites de 20,0mm de diâmetro,devendo suportar um esforço cortante de 294.000N. Qual a tensão cisalhante sobreo rebite.



135



Se o rebite for fabricado em um aço cuja resistência à tração é de 650MPa.

Em um rebite teremos,

Tc = 294.000/ 314,0mm2

Tc = 936,63MPa

Vemos que um rebite somente terá a seguinte resistência ao cisalhamento:

Tc= 0,75x650= 487,5MPa.

Logo, um rebite somente não suportará tensão cisalhante proposta. No caso,teremos:

Nº rebites = 294.000/(487,5 x 314)Nº rebites = 1,92 rebites.

É lógico, não podemos utilizar frações de rebites e sim rebites inteiros. Por isso,arredonda-se para 2 rebites.

Exemplo 2:

Supondo que o rebite tenha um diâmetro de 4,0mm. Calculando-se a área daseção teremos:

Nº de rebites = 294.000 / (487,5x12,56)Nº de rebites = 48,24 rebites.

Arredondamos para 49 rebites.



136



7. ENSAIO DE FLEXÃO E DOBRAMENTO

O ensaio de dobramento é um ensaio que fornece uma informação qualitativa da

ductilidade do material. Sua aplicação é muito simples. Não determina nenhum valornumérico.

De um modo geral, o ensaio consiste em dobrar um corpo-de-prova de eixo retilíneoe seção circular, tubular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados auma distância específica, onde se aplica um esforço de flexão no centro o C.P. até quese atinja um ângulo de dobramento.

Figura 25 : Esquema de dobramento até um ângulo .

Existem especificações que pedem o dobramento sem cutelo denominado

dobramento em si mesmo. O ângulo é medido conforme a figura 23, geralmente 90º, 120ºou 180º. Atingido o ângulo olha-se a zona tracionada para verificar a existência de trincasou fissuras.

O ensaio de dobramento a 180º pode ser realizado em uma só etapa, caso setenha o cutelo exigido pela norma, ou em duas etapas, quando o diâmetro do cuteloexigido é muito pequeno ou nulo.

Se o diâmetro do cutelo é muito pequeno, usa-se o menor cutelo para iniciar oensaio, e, logo após, para levá-lo até 180º, usa-se um calço de espessura igual aodiâmetro do cutelo entre as pontas inicialmente dobradas, levando o dobramento emseguida até o final.

Figura 26: Dobramento em duas etapas.



137



4.1 Ensaio de Dobramento em Barras da Construção Civil

A especificação brasileira EB-3 divide as barras da construção civil em categorias(CA-25, CA-32, CA-40, CA-50 e CA-60). O ensaio de dobramento é realizado até atingirum ângulo de 180º ), tendo o cutelo um diâmetro que depende da categoria da barra.

Os números mais baixos enquadram-se os materiais mais dúcteis , e portanto,são dobrados com cutelos de diâmetro menores que o diâmetro dos cutelos utilizadospara dobrar as barras mais resistentes.

O número da categoria e refere ao valor mínimo do limite de escoamento que abarra deve ter.

4.2. Ensaio de Dobramento em Corpos-de-prova Soldados

Para corpos-de-prova soldados de chapas ou de tubos, é realizado o ensaio dedobramento. Para qualificar soldadores e qualificar processos de solda o método

utilizado é o dobramento guiado.

Figura 27: Dobramento livre esquemático: (a) entre cutelos: (b) Entre placas.

Figura 28: Dobramento semi-guiado esquemático.

Para avaliar a qualidade da solda emprega-se mais o ensaio de dobramento livre.

a b



138



O cálculo do alongamento é realizado da seguinte forma:

A = (L –Lo)/Lo x 100

4.2.1. Dobramento Guiado para Qualificação de Soldadores

Éste é realizado de cinco formas diferentes, as quais estão mostradas a seguir.

Figura 30: Dobramento lateral transversalonde a solda é perpendicular ao eixolongitudinal (uma das superfícies lateraisfica convexa).

Figura 31: Dobramento transversal da face,onde a solda é perpendicular ao eixolongitudinal, onde a face de maior largura dasolda fique tracionada.

Figura 32: Dobramento transversal daraiz( a raiz da solda fica tracionada).

Figura 29: Alongamento medido emcorpo-de-prova retirado e chapasoldada, que foi submetida aodobramento livre



139



No caso da solda em filete, há o ensaio denominado de ensaio de fratura dasolda, que consiste no dobramento lateral, de modo que a raiz da solda fique tracionada,até que haja fratura ou que os dois lado do C.P. se encostem.

Figura 34: Ensaio de fratura da solda.

Figura 33: Dobramento longitudinal daface e da raiz (o cordão é dobradolongitudinalmente ficando o cordão desolda tracionado longitudinalmente.



140



5. ENSAIO DE FLEXÃO

O ensaio de flexão é realizado em materiais frágeis e em materiais resistentes, como

o ferro fundido, alguns aços, estruturas de concreto e em materiais solicitados aflexão quando em trabalho.

A montagem do ensaio é semelhante ao dobramento Porém, para medir adeformação (flecha máxima) utiliza-se um extensômetro no centro e em baixo do C.P.

Figura 35: Barra em flexão.

Em materiais frágeis as flechas são muito pequenas, em conseqüência, paradeterminar a tensão de flexão, as cargas utilizadas levam o corpo até a fratura.

5.1. Propriedades Mecânicas Avaliadas no Ensaio de Flexão

O ensaio de flexão permite avaliar a tensão fletora, e para isso é necessáriodeterminar o momento fletor.

Imaginemos uma barra apoiada em dois pontos a qual impomos uma forçapróxima a um dos apoios( figura 34-a). A flexão será em relação a esse ponto será bemmenor se impormos a mesma força no centro da barra (figura 34-b).

Figura 36: a- força aplicada próxima ao apoio ; b- força aplicada a no meio da barra.

Conclui-se daí que a flexão depende da distância do apoio até o ponto de

aplicação da força.

a

b



141



O produto da força pela distancia ao ponto de apoio chamaremos de momentofletor (Mf ).

No ensaio de flexão a força é aplicada no ponto médio da barra e se distribuiuniformemente pelo corpo, onde para cada metade teremos a metade da forçaatuando, ficando metade da distância para cada lado.

Então,Mf = F . L = F.L

2 2 4

Mf = F.L4

5.2. Momento de Inércia

A forma do material também influi na flexão. Analisando os desenhos abaixo:

Figura 37: a – Régua flexionada na face: b – Régua flexionada de cutelo.

Na figura 35-a a flexão é maior que na figura 35-b. Isso porque mudou a seção naqual a força estava aplicada. Para cada formato de seção existe um momento deinércia o que modifica a resistência à flexão.O momento de inércia (J) é calculado por fórmulas matemáticas. As formas maissimples são a forma retangular e a forma circular.

J = (.D4)/64 (Momento de inércia de seção circular).

J = (b.h)3/12 (Momento de inércia de seção retangular).

5.3. Módulo de Resistência da Seção transversal (W)

Trata-se de uma medida de resistência em relação a um momento. Significa paraa flexão o que a área da seção transversal significa para a tração. O valor do módulo éconhecido dividindo-se o momento de inércia pela distância da linha neutra (c) àsuperfície.

Em linguagem matemática temos:

c

Mf W

Obs.: c é a distância da linha neutra à superfície.

a b

C



142



A tensão fletora será :

Tf = Mf / W

Substituindo na fórmula o W temos, Tf = Mf / 4J

5.4. Módulo de Elasticidade e Flecha Máxima

Outra propriedades que podem ser avaliadas no ensaio deflexão é a flechamáxima (f) e o módulo de elasticidade.(E).

f = 1 x FL3

48 E.J

E = 1 x FL3

48 f.J

EXERCÍCIO SOBRE ENSAIO E FLEXÃO: (Resolvido)

Efetuado um ensaio deflexão num C.P. de 50,0mm de diâmetro e 685,0 mm decomprimento, registrou-se uma flecha de 1,66mm e a carga aplicada ao atingir o limiteelástico era de 1.600N. Calcular a tensão deflexão e o módulo de elasticidade.

Tf = Mf / 4JJ = .D2 / 64 = 306.640,62mm4

Tf=24x306640,6

51600x685x2 = 22,34 MPa

E= J f

FL x

.48

1 3

E = 1 x 1600 x 6853 = 21.048 MPa 48 1,66 x 306.640,62



143



6. ENSAIO DE IMPACTO

O ensaio de impacto é realizado pela imposição de uma carga em movimento

contra um corpo-de-prova previamente elaborado. A aplicação dessa carga é brusca erepentina.

6.1. Fratura frágil

Fratura frágil é aquela que ocorre sem deformação plástica macroscópica. Aausência de deformação plástica é apenas macroscópica pois em metais e ligas umafratura é sempre iniciada e acompanhada por deformação plástica localizada.

As fraturas frágeis ocorrem sob tensões inferiores às correspondentes aoescoamento generalizado. A trinca é instável e propaga-se sem necessidade de aumentode tensões. No aço, a propagação da trinca pode atingir 2.000m/s.

As fraturas frágeis podem romper materiais dúcteis quando existir altasvelocidades de aplicação da carga, trincas ou entalhes superficiais ou baixa temperaturade uso.

6.2. Fratura Dúctil

A fratura dúctil ocorre com apreciável deformação plástica macroscópica. Falhas emserviço de componentes metálicos raramente ocorrem por esse mecanismo,entretanto, as grandes deformações que ocorrem nos processos de conformação demetais e ligas, tais como, laminação, extrusão, trefilação, estampagem, etc. podemprovocar esse tipo de fratura.

6.3. O Ensaio de Impacto

É um dos primeiros e até hoje um dos mais empregados para o estudo de fraturafrágil nos metais. Às vezes é denominado de ensaio de choque. Em materiaisutilizados em baixa temperatura como teste de aceitação de material.O C.P. é padronizado e possui um entalhe para localizar sua ruptura quando ele ésubmetido a um impacto de um martelo pendular. A energia que o C.P. absorve paradeformar e romper é medida pela diferença de altura atingida pelo martelo antes eapós a ruptura multiplicada pelo peso do martelo.

A energia é lida na própria máquina. Porém, o resultado do ensaio é apenas umamedida de energia absorvida e não fornece indicações seguras sobre o

comportamento do metal ao choque em geral, o que seria possível se fosse possívelensaiar uma peça inteira sob as condições na prática

Joule (J) = kg.m.s-2 = N.mEnergia potencial - EP = m.g.h = kgf.m.s-2. Hm = massa do martelo (25 e 30kgf)g = aceleração da gravidade.H1 = 1600mm



144



6.3.1. O Ensaio Charpy

O ensaio charpy é realizado utilizando-se um C.P. entalhado, cuja posição do entalhee dimensões são regulamentados por norma.

Figura 38: Imposição do martelo no Ensaio Charpy

6.3.2. O Ensaio Isod

O ensaio Isod possui posição do entalha e dimensões regulamentadas por normas,porém, o impacto ´reralizado no lado do entalhe com uma das pontas engastadas.

Figura 39: Imposição do martelo no ensaio Isod.

6.3.3. Efeito da Temperatura na Resistência ao Impacto

Ao ensaiar-se os metais ao impacto, verificou-se que há uma faixa de temperaturarelativamente pequena na qual a energia absorvida pelo C.P. cai consideravelmente.Essa faixa de temperatura é denominada de temperatura de transição.

A temperatura de transição, portanto, é aquela onde ocorre uma mudança nocaráter de ruptura do material, que passa de dúctil para frágil ou vice-versa.



145



Figura 40: Tipos de Corpos-de-prova

Figura 41: Evolução da fratura com a temperatura



146



Figura 42: Percentual de fratura dúctil com o aumento da temperatura

Figura 43: Efeito do carbono e da temperatura sobre a resistência ao impacto.

6.3.4. Fratura do Corpo-de-prova Charpy

A superfície do corpo-de-prova Charpy pode apresentar no caso mais geral,quatro zonas distintas:

a) Zona fibrosa junto ao entalhe, onde a fratura é nucleada.b) Zona radial que ocupa a região central do C.P.c) Zona de cisalhamento, emoldurando o CP. nas faces que não contem o

entalhe.d) Zona fibrosa, entre a radial e a de cisalhamento do lado oposto do

entalhe.



147



Esse aspecto da fratura muda com a temperatura do ensaio. Nota-se a seguinteevolução a partir de temperaturas mais baixas:

a) Fratura inteiramente radial.b) Presença de zona de cizalhamento reduzida.

c) Aparecimento de zona fibrosa junto ao entalhe.

1

2

33

3

4

2

Figura 44: Face de ruptura deum C.P. Charpy

1 – Zona radial2 – Zonas fibrosas.3 – Zonas de cizalhamento.4 – Entalhe.



148



Figura 45: Aspecto da fratura quanto a existência de fratura frágil.a) 100% dúctil; b) 85%; c) 70% dúctil: d) 60% dúctil; e) 50% dúctil f) 40% dúctil.

1

a b

c d

e f



149



7. ENSAIO DE FADIGA

Em condições normais de uso, os produtos siderúrgicos devem ser submetidos aesforços dentro do limite elástico. Em geral, os materiais são especificados pelo limite de

resistência.Na prática, é possível que o material venha a falhar sob a ação de esforços

menores que aqueles determinados pelo limite de elasticidade. Esta falha é típica de umfenômeno chamado de FADIGA.

7. 1. Início da Fadiga

A ruptura por fadiga inicia a partir de uma trinca ou por uma pequena falhasuperficial, que se propaga aumentando o seu tamanho. Quando a trinca atinge umdeterminado tamanho, fazendo que o material não suporte o esforço imposto, a peçarompe repentinamente.

O estudo da fadiga é importante porque a grande maioria das falhas decomponente de máquinas, em serviço, se devem à fadiga.

7. 2. Tensões Cíclicas

São esforços que se repetem com regularidade. A função cíclica mais simples é asenoidal, onde os valores de tensão são apresentados nas ordenadas e o número deciclos nas abcissas.

7. 3. Tipos de Ensaio e Fadiga

O ensaio de fadiga pode ser realizado de várias maneiras, de acordo com o tipode solicitação que se desejada aplicar:

- Torção;- Tração-compressão;- Flexão;- Flexão rotativa.

7. 4. Corpos-de-prova

A forma e o tamanho dos CPs variam, podendo ser até a própria peça. As formasmais utilizadas são apresentadas a seguir:

7. 5. Curvas S-N

Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curvatensão-número de ciclos, ou simplesmente S-N. através dessa curva irá se determinar olimite de fadiga ou a resistência à fadiga.



150



Fig.45a Curva SN

7. 6. Fatores que Influem na Resistência à Fadiga

Os seguintes fatores influem na resistência à fadiga:

- Acabamento superficial da peça.- Defeitos superficiais ( Queima, de carbonetação, trincas pré existentes).- Tratamentos superficiais ( Cromagem, niquelação, etc. )- Encruamento.

O acabamento superficial inadequado pode diminuir a vida em fadiga, bem comotratamentos superficiais como a cromagem e a niquelação). Por outro lado, tratamentossuperficiais endurecedores como a cementação e a nitretação aumentam a resistência afadiga. Já o encruamento aumenta a resistência à fadiga.

Sempre que possível, deve-se evitar a concentração de tensões. Por exemplo, umrasgo de chaveta num eixo é um elemento que concentra tensão e, conseqüentemente,diminui a resistência à fadiga.



151



8. ENSAIO DE DUREZA BRINELL

Os primeiros a utilizar uma escala de dureza foram os mineralogistas que

adotaram a escala de MOHS (1822) para determinar a dureza comparativamente devários minerais. AA escala é a seguinte:

1 – talco

2 – Gipsita

3 – Calcita

4 – Fluorita

5 – Apatita

6 – Feldspato

7 – Quartzo8 – Topázio

9 – Safira e corindon

10 – Diamante.

Porém, os metais apresentam dureza entre 4 e 8 MOHS e pequenasdiferenças de dureza não são detectáveis.

8.1. O Ensaio Padronizado

Em 1900. J.A. Brinell divulgou o ensaio de Brinell que passou a ser largamenteaceito e padronizado.

O ensaio consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, dediâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de umacarga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.

Figura 46: Esquema da penetração Brinell



152



Em linguagem matemática:

HB = F / Ac (Ac é a área da calota esférica).

A área da calota é dada por : x Dp

HB = F/ Dp

O ensaio padronizado proposto por Brinell foi com carga de 3000kgf e esfera de10,0m de aço temperado.

8.2. Fator de Carga

Para a escolha de outra carga ou de outro diâmetro de esfera, é necessárioconsiderar o fator de carga.

FATOR DECARGA = F/D2

Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de carga de acordo com a faixade dureza e o tipo de material. O quadro a seguir mostra os principais fatores de carga erespectivas faixas de dureza.

8.2.3. Escolha das Condições de Ensaio

A escolha da carga e do diâmetro da esfera, após definir fator de carga, poderá ser

realizado seguindo a tabela seguinte:Tabela 4: Fatores de carga para medir dureza BrinellF/D2 DUREZA MATERIAL

30 90 A 415 HB Aços e ferros fundidos.10 30 a 140 HB Cobre, alumínio e suas ligas mais duras5 15 70 HB Ligas anti-fricção, cobre, alumínio e suas ligas mais moles.2,5 Até 30 HB Chumbo, estanho, antimônio.

O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura da peça ensaiada. Aespessura mínima indicada pela ABNT é que a espessura do material seja no mínimo 17

vezes a profundidade da calota.

Figura 47:Penetrador BrinellEsfera de aço ou de metal duro



153



O quadro a seguir mostra os diâmetros de esfera mais utilizado e os valores de cargapara cada caso.

Tabela 5: Escolha da carga e da esferakgf

ØEsfera(mm)

F= 30.D2 F= 10.D2 F= 5. D2 F= 2,5. D2

10,0 3.000 1.000 500 2505,0 750 250 125 62,52,5 187,5 62,5 31,25 15,626

Exemplo:Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte

especificação:Espessura: 4,0mm

Dureza: 180HBEssas chapas deverão ser submetidas ao ensaio de dureza para verificar se estão

de acordo com as especificações.

PARA AÇO: F/D2 = 30

Para que a relação se mantenha a força deverá ser de 3000kgf se utilizarmos umaesfera de 10,0mm.Então,

HB = F / DpIsolando p teremos,

p = F/ D.HBp = 3000/ 5.653 = 0,53mm

PELA NORMA,Espessura da chapa = 17 . 0,53 = 9,01mm

Concluímos que as chapas de 4,0mm não podem ser ensaiadas com esfera de20,0mmLogo, teremos que diminuir o diâmetro da esfera.

F/D2 = 30F = 30. 52 = 750kgf.p = 750/2.826 = 0,26mm

Espessura = 17.0,26 = 4,42mm (X)F = 30. 2,52= 187,5kgfp = 187,5/1471,87 = 0,066Espessura = 17. 0.06 = 1,122mm

Vemos que para essa dureza e para essa espessura de chapa somentepoderemos medir com carga de no máximo 187,5 e esfera de 2,5mm.

8.3. Representação dos Resultados

O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo simbolo HB sem qualquersufixo, quando o ensaio for o ensaio padronizado (3000kgf e esfera de 10,0mm dediâmetro, com tempo de 15s). Em outras condições, o símbolo HB deverá ser seguidode:



154



HB/ carga de ensaio / tempo de aplicação da carga.

No exemplo anterior o resultado final da medida de dureza deverá ser:

Dureza = 180 HB/187,5/30 ( dureza encontrada após ensaio for de 180HBrealizada com tempo de aplicação da carga de 30s).

8.4. Vantagens e Desvantagens do Método

O ensaio Brinell é utilizado especialmente para medir a dureza de dureza de nomáximo 500HB de dureza. Durezas maiores deformarão a esfera.

É o único ensaio aceito para materiais com estrutura interna heterogênea.O ensaio não deverá ser realizado quando o raio de curvatura da peça seja menor

que 5 vezes o diâmetro da esfera.

8. 5. Aspectos da Impressão

O aspecto da impressão pode determinar anomalias durante a medida, quepodem conduzir a erros. Esses aspectos estão mostrados na figura 46.

Figura 48: (a) impressão normal;(b) Houve aderência do materialà esfera; (c) bordas abauladasdificultando a leitura



155



9. ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL

Em 1922, ROCKWELL desenvolveu um método de ensaio que utilizava um sistema

de pré-cargas, que apresentava algumas vantanges sobre o ensaio BRINELL.O ensaio Rockwell permite medir dureza de metais desde os mais moles até os

mais duros.É o processo mais utilizado no mundo, devido a rapidez e a facilidade de

execução. O método Brinell exige que se faça a medida da impressão através de uminstrumento ótico, e além disso, é necessário calcular o valor de dureza ou então utilizaruma tabelas.

O método Rockwell permite leitura direta em um visor, que pode ser analógico oudigital.

9.1. Em que Consiste o Ensaio

Nesse método a carga é aplicada em etapas. Na primeira se aplica uma pré-cargapara garantir o contato firme entre o penetrador e a peça. Na segunda, aplica-se a cargade ensaio propriamente dita. A leitura é efetuada diretamente em um mostrador acopladoa um relógio comparador milesimal.

9.1.1. Penetradores

As durezas Rockwell podem ser executadas com dois tipos de penetradores:

- Penetrador cônico de diamante: durezas altas, acima de 20HRC até a durezade 70HRC , ou comparativamente iguais.

- Penetrador esférico de aço de 1/16¨ de diâmetro: Para durezas mais baixasque 20 HRC ou comparativamente menores.

9.1.2. Cargas e Pré-cargas Utilizadas no Ensaio

As pré-cargas utilizadas são as seguintes:- 10kgf para cargas de ensaio de 60, 100 e 150kgf.- 3 kgf para cargas de 15, 30 e 45kgf.

Figura 49: Penetrador RockwellCone de diamante



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9.3. Representação da Dureza Rockwell

O número ROCKWELL deve ser seguido do símbolo HR, com um sufixo queindique a escala utilizada.

Como exemplo, a interpretação do resultado 64HRC, indica que se trata do ensaioROCKWELL realizado com penetrador de diamante, pré-carga de 10kgf e carga de150kgf.

9.4. Profundidade de Penetração

As profundidades de penetração são as seguintes:

a) Penetrador de diamante- HR normal p = 0,002 . (100 – HR)- HR superficial p = 0,001 . (100-HR)

b) penetrador Esférico- HR normal p = 0,002 . (130 – HR)- HR superficial p = 0,001 . (100 – HR)

EXEMPLO 1:

Qual a profundidade aproximada de penetração que será atingida ao ensaio ummaterial com dureza estimada em 40HRC?

p = 0,002 . (100 – 40) = 0,002 . 60 = 0,12mm

Vale aqui o mesmo critério anterior de que a espessura da peça deverá de ser nomínimo dezessete vezes a penetração.

EXEMPLO 2:Qual deverá ser a espessura mínima de uma chapa que será submetida ao ensaio

de dureza Rokwell para um material com dureza esperada em 80 HRB?

p = 0,002 . (130 - 80) = 0,1mmEspessura mínima = 17 . 0,1 = 1,7mm

Figura 50:Penetrador

Rockwell esférico de 1/16¨de diâmetro.



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Tabela 6: Escalas mais utilizadas em Ensaios ROCWELL

ESCALA NORMAL (PRÉ-CARGA DE 10kgf)

ESCALA COR CARGA PENETR. FAIXADEUTILIZAÇÃO

CAMPO DE APLICAÇÃO

A PRETA 60 DIAM. 20 A 88 HRACarbonetos, chapas finasduras

C PRETA 150 DIAM. 20 A 70 HRCMateriais duros maisespessos

B VERM, 100 ESFERA 20 A 100 HB Materiais espessos moles.

ESCALA SUPERFICIAL (PRÉ-CARGA DE 3kgf)

ESCALA COR CARGA PENETR.FAIXADE

UTILIZAÇÃO

CAMPO DE APLICAÇÃO

15N PRETA 15 kgf DIAM.65 A 90 HR15N

Uso similar a escalas HRC,HRA





15T VERM. 15 kgf ESFERA50 A 94 HR15T

Uso similar a escalas HRB

30T VERM. 30 kgf ESFERA30 A 70 HR45N

Uso similar a escalas HRB

45T VERM. 45 kgf ESFERA

50 A 94 HR

15T Uso similar a escalas HRB



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10. DUREZA VICKERS

Em 1925, Smith e Sandland desenvolveram um método que possibilita medir

qualquer valor de dureza, incluindo os materiais desde os mais moles até os mais duros.Esse ensaio ficou conhecido como Ensaio de Dureza Vickers, porque a empresa

que fabricava as máquinas chamava-se Vickers-Armstrong.

10.1. Em que Consiste o Ensaio

Esse método se baseia na resistência que o material oferece à penetração deuma pirâmide de base quadrada e ângulo entre faces de 136º sob a ação de umadeterminada carga.

O valor de dureza Vickers é:

HV = F/A

A máquina de ensaio não fornece a área da impressão da pirâmide, mas permiteobter por meio de um instrumento ótico de aumento a medida das diagonais (d1 e d2)formadas pelos vértices da pirâmide.

10.2. Determinação da Dureza Vickers

Conhecendo-se as medidas das diagonais é possível calcular a área. Fazendo-seo desenvolvimento matemático chegamos à seguinte expressão:

HV = 1,8544.F/d2

Figura 51: Penetrador Vickers e a marca da penetração.

Na fórmula do cálculo da dureza Vickers o valor de d é a média da soma de d1mais d2, e deve ser expressa em milímetros.

Exemplo: A impressão de dureza Vickers apresentou 0,24 mm e 0,26 mmm de diagonais de

impressão.

d = ( 0,24 + 0,26 ) / 2 = 0,25mmHV = 1,8544F/d2 = 18,544/0,0625 = 296,7



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Figura 52: Visualização da impressão.

10.3. Representação do Resultado Obtido

A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de

um número indicando a carga aplicada. No exercício anterior a dureza, se medida com

carga de 10kgf, seria representada por:

296,7 HV10

10. 4. Cargas Utilizadas no ensaio

Nesse método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas poderão ser dequalquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmomaterial. Desse modo, o valor de dureza será sempre o mesmo, independente da cargautilizada.

Por uma questão de padronização, as carga recomendadas são: 1, 2, ,3 ,4, 5, 10,20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf.

Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies tratadastermicamente ( cementação, têmpera por indução, nitretação, etc.), ou para determinar a

dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio demicrodureza Vickers.Esse ensaio utiliza cargas de 10 gf e no máximo 1 kgf.

10.5. Defeitos de Impressão

A impressão perfeita deverá ter lados retos na impressão. Entretanto, poderãoocorrer defeitos na impressão devidos ao afundamento ou a aderência do metal em voltadas faces do penetrador.

Quando ocorrem esses, embora as medidas das diagonais sejam iguais, as áreas

da impressão são diferentes.



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Figura 53: Impressões do Ensaio Vickers.

Afundamento: Valor de dureza maior que o real. Aderência: Valor de dureza menor que o real.

10.6. Vantagens e Limitações do Ensaio Vickers

a) Vantagens

O ensaio Vickers fornece uma escala contínua de dureza, medindo todas asgamas de valores numa única escala.

As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, nãoinutilizam as peças, mesmo acabadas.

O penetrador é praticamente indeformável pois é de diamante.Esse ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser

usado para medir durezas superficiais.

b) Desvantagens

Deve-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicação dacarga, que alteram os valores reais de dureza.

A preparação do corpo-de-prova para a microdureza deverá ser feitaobrigatoriamente por técnica metalográfica, utilizando-se preferencialmente o polimentoeletrolítico para evitar encruamento superficial.

Quando se usam cargas inferiores a 300 gf poderá haver recuperação elástica,dificultando a leitura das diagonais.O durômetro requer aferição constante, pois qualquer variação na velocidade de

aplicação da carga traz grandes diferenças nos valores de dureza.

Impressão perfeita Afundamento Aderência

Posição da impressão perfeita



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III - TRATAMENTOS TÉRMICOS

Neste capítulo você vai conhecer o que são Tratamentos Térmicos, os principaisobjetivos, os processos e equipamentos necessários para efetuar um tratamento térmico. As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura.Os tratamentos térmicos empregados em metais ou ligas metálicas, são definidos comoqualquer conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, sob condiçõescontroladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com oobjetivo de alterar suas propriedades ou conferir-lhes características pré-determinadas.

Os principais objetivos dos tratamentos térmicos dos aços envolvem:

- Remoção de tensões residuais decorrentes de processos mecânicos deconformação ou térmicos

- Refino da microestrutura (diminuição do tamanho de grão)- Aumento ou diminuição de dureza- Aumento ou diminuição da resistência mecânica- Aumento da ductilidade- Melhoria da usinabilidade- Aumento da resistência ao desgaste- Melhoria da resistência a corrosão- Melhoria da resistência a fluência- Modificação de propriedades elétricas e magnéticas



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1. TRATAMENTO TÉRMICO E SEUS PROCESSOS

Trat ament o térm ico é o conjunto de operações de aquecimento a que são

submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera evelocidade de esfriamento, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferircaracterísticos determinados.

As propriedades dos aços dependem, em princípio, da sua estrutura. Os tratamentostérmicos modificam, em maior ou menor escala, a estrutura dos aços, resultando, emconsequencia na alteração mais ou menos pronunciada, de suas propriedades. Viu-se,de fato, nos primeiros capítulos abordados, como se produzem transformações naaustenita, segundo o tipo, a velocidade e as condições de esfriamento adotadas. Cadauma das estruturas obtidas apresenta seus característicos próprios, que se transferem aoaço, conforme a estrutura ou combinação de estruturas presentes.

Pelo exposto, pode-se perfeitamente avaliar a importância dos tratamentos térmicos,sobretudo nos aços de alto carbono e nos que apresentam também elementos de liga.

De fato, se geralmente muitos aços de baixo e médio carbono são usados nas condiçõestípicas do trabalho a quente, isto é, nos estados forjados e laminados, quase todos osaços de alto carbono ou com elementos de liga, são obrigatoriamente submetidos atratamentos térmicos antes de serem colocados em serviço.

Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes:

- remoção de tensões (oriundas de esfriamento, trabalho mecânico ou outra causa);- aumento ou diminuição da dureza;- aumento da resistência mecânica;- melhora da ductibilidade;- melhora da usinabilidade;- melhora da resistência ao desgaste;

- melhora das propriedades de corte;- melhora da resistência à corrosão;- melhora da resistência ao calor;- modificação das propriedades elétricas e magnéticas.

A simples enumeração dos objetivos acima evidencia claramente a importância e anecessidade do tratamento térmico do aço.

Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um determinadotratamento térmico, é conseguida com prejuízo de outras. Por exemplo, o aumento daductibilidade provoca simultaneamente queda nos valores de dureza e resistência àtração.

É necessário, pois, que o tratamento térmico seja escolhido e aplicado

criteriosamente, para que os inconvenientes apontados sejam reduzidos ao mínimo. Nãose verifica, pela simples aplicação de um tratamento térmico, qualquer alteração dacomposição química do aço. Há casos, entretanto, em que interessa somente umamodificação parcial de certas propriedades mecânicas; por exemplo, melhorarsuperficialmente a dureza do aço.

Esse efeito é conseguido pela alteração parcial da sua composição química. Ostratamentos em que a combinação de operações de aquecimento e resfriamento érealizada em condições tais que conduzem a uma mudança parcial da composiçãoquímica da liga e, consequentemente, uma modificação parcial de suas propriedadesmecânicas, são chamados de "tratamentos termo-químicos".



163



1.1 Fatores de influência nos tratamentos térmicos

Antes de serem definidos e descritos os vários tratamentos térmicos, será feitauma rápida recapitulação dos diversos fatores que devem ser levados em conta para suarealização. Representando o tratamento térmico um ciclo de tempo – temperatura, os

fatores a serem inicialmente considerados são: aquecimento, tempo de permanência natemperatura e resfriamento. Além desses, outro de grande importância é a atmosfera dorecinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influência sobre osresultados finais dos tratamentos térmicos.

1.1.1. Aq uecim ento - O caso mais freqüente de tratamento térmico do aço é alteraruma ou diversas de suas propriedades mecânicas, mediante uma determinadamodificação que se processa na sua estrutura. Assim sendo, o aquecimento égeralmente realizado a uma temperatura acima da crítica, porque então se tem completaaustenitização do aço, ou seja, total dissolução do carboneto de ferro no ferro gama: essaaustenitização é, como se viu, o ponto de partida para as transformações posterioresdesejadas, as quais se processarão em função da velocidade de esfriamento adotada.

Na fase de aquecimento, dentro do processo de tratamento térmico; devem serapropriadamente consideradas as velocidades de aquecimento e a temperatura máximade aquecimento.

1.1.2 A velocidade de aquecimento, embora na maioria dos casos seja fatorsecundário, apresenta certa importância, principalmente quando os aços estão em estadode tensão interna ou possuem tensões residuais devidas a encruamento prévio ou aoestado inteiramente martensítico, porque, nessas condições, um aquecimento muitorápido pode provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. Há casos,contudo, de aços fortemente encruados que apresentam uma tendência para excessivocrescimento de grão quando aquecidos lentamente dentro da zona crítica, sendo então

conveniente realizar um aquecimento mais rápido através dessa zona de transformação.Nas mesmas condições estão como será visto mais adiante, certos aços especiaisque exigem temperatura final de austenitização muito elevada; também nesses casosquando no aquecimento é atingida a zona crítica é necessário que a mesma sejaultrapassada mais ou menos rapidamente para evitar excessivo crescimento de grão deaustenita.

1.1.3 A temperatura de aquecimento é mais ou menos um fator fixo,determinado pela natureza do processo e dependendo, é evidente, das propriedades edas estruturas finais desejadas, assim como da composição química do aço,principalmente do seu teor de carbono.

Quanto mais alta essa temperatura, acima da zona crítica, maior segurança se tem da

completa dissolução das fases no ferro gama; por outro lado, maior será o tamanho degrão da austenita. As desvantagens de um tamanho de grão excessivo são maiores queas desvantagens de não se ter total dissolução das fases no ferro gama, de modo que sedeve procurar evitar temperaturas muito acima da linha superior (A3 ) da zona crítica. Naprática, o máximo que se admite é 50°C acima de A 3 e assim mesmo para os açoshipoeutetóides. Para os hipereutetóides, a temperatura recomendada é inferior à da linha A. A razão é óbvia; a linha Acm sobe muito rapidamente em temperatura com o aumentodo teor de carbono (ver figura 3); para que haja, portanto, completa dissolução docarboneto de ferro gama, é necessárias temperaturas muito altas com conseqüente eexcessivo crescimento de grão de austenita, condição essa mais prejudicial que apresença de certa quantidade de carboneto não dissolvido.

1.1.4 Tempo de permanência na temperatura de aquecimento . A influênciado tempo de permanência do aço à temperatura escolhida de aquecimento é mais ou



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menos idêntica à de máxima temperatura de aquecimento, isto é, quanto mais longo otempo à temperatura considerada de austenitização, tanto mais completa a dissoluçãodo carboneto de ferro ou outras fases presentes (elementos de liga) no ferro gama,entretanto maior o tamanho de grão resultante.

Procura-se evitar, pois, permanência na temperatura além do estritamente

necessário para que se consigam as modificações estruturais mais convenientes. Tempomuito longo podem também aumentar a oxidação ou descarbonetação do material. Sob oponto de vista de modificação estrutural, admite-se que uma temperatura ligeiramentemais elevada seja mais vantajosa que um tempo mais longo a uma temperatura inferior,devido à maior mobilidade atômica. De qualquer modo, o tempo na temperatura deve serpelo menos o suficiente a se ter sua uniformização através de toda a secção.

1.1.5 Resfriamento – este é o fator mais importante pois ele que determinaráefetivamente a estrutura e, em conseqüência, as propriedades finais dos aços. Viu-secomo pela variação da velocidade de resfriamento pode-se obter desde a perlitagrosseira de baixa resistência mecânica e baixa dureza até a martensita que é oconstituinte mais duro resultante dos tratamentos térmicos. Por outro lado, a obtençãodesses constituintes não é só função da velocidade de resfriamento, dependendotambém como se sabe, da composição do aço (teor em elementos de liga, deslocando aposição das curvas em C), das dimensões (secção) das peças, etc.

Os meios de esfriamento usuais são: ambiente do forno, ar e meios líquidos. Oresfriamento mais brando é, evidentemente, o realizado no próprio interior do forno e elese torna mais severo à medida que se passa para o ar ou para um meio líquido, onde aextrema agitação dá origem aos meios de resfriamento mais drásticos ou violentos.

Na escolha do meio de resfriamento, o fator inicial a ser considerado é o tipo deestrutura final desejada a uma determinada profundidade. Não é só, entretanto. De fato,a secção e a forma da peça influem consideravelmente na escolha daquele meio. Muitasvezes, por exemplo, a secção da peça é tal que a alteração estrutural projetada não

ocorre à profundidade esperada. Por outro lado, algumas vezes a forma da peça é talque um resfriamento mais drástico, como em água, pode provocar conseqüênciasinesperadas e resultados indesejáveis, tais como empenamento e mesmo ruptura dapeça.

Um meio de resfriamento menos drástico, como óleo, seria o indicado sob o ponto devista de empenamento ou ruptura, porque reduz o gradiente de temperaturaapreciavelmente durante o resfriamento, mas pode não satisfazer sob o ponto de vistade profundidade de endurecimento. E preciso, então, conciliar as duas coisas: resfriaradequadamente para obtenção da estrutura e das propriedades desejadas àprofundidade prevista e, ao mesmo tempo, evitar empenamento, distorção ou mesmoruptura da peça quando submetida ao resfriamento.

Tal condição se consegue com a escolha apropriada do aço.

De qualquer modo, o meio de resfriamento é fator básico no que se refere à reaçãoda austenita e, em conseqüência, aos produtos finais de transformação.Os meios de resfriamento mais comumente utilizados são: soluções aquosas, água,

óleo e ar.Os meios mais drásticos são as soluções aquosas de vários tipos.Há diferença de comportamento entre vários tipos de óleo, devido sobretudo a

diferença de viscosidade e às características de formação de vapor. A água, à medida que se aquece, perde sua eficácia, fato esse que não deve seresquecido ao usar-se esse líquido como meio de resfriamento, pois se o seu volume nãofor suficiente ele se aquecerá excessivamente, perdendo rapidamente a sua eficácia:evita-se esse inconveniente pelo uso de água corrente em vez de água em repouso, oupelo seu resfriamento contínuo.

No caso dos óleos, o efeito da temperatura não é tão sensível, mas como medida de



165



segurança, deve-se evitar que sua temperatura suba muito, para o que se utilizafreqüentemente um sistema apropriado de circulação.

A maior eficácia das soluções aquosas é atribuída à sua ação em remover a casa deóxido superficial e à menor tendência de formar vapor na superfície do aço, evitando-seassim o inconveniente dos chamados “pontos moles”, muito comuns na têmpera dos

aços.Finalmente, outro fator que deve ser levado em conta é o da circulação do meio de

resfriamento ou a agitação da peça no interior desse meio.Como já foi observado, a escolha do meio de resfriamento não depende somente das

propriedades finais desejadas no aço, pois o empenamento ou as fissuras que podemresultar ao ser o material resfriado, assim como o aparecimento de apreciáveis tensõesinternas podem determinar a substituição do meio ideal, sob o ponto de vista de propri-edades desejadas, por um meio menos severo, de modo a serem contornadas aquelasdificuldades. Pode-se chegar, então, à necessidade de se usar meios de resfriamentocada vez menos severos, o que implica na escolha simultânea de aços comtemperabilidade cada vez maior, de modo a ser atingido o objetivo final - estrutura epropriedades desejadas com um mínimo de empenamento e tensões internas - nasmelhores condições.

Meios de resfriamento ainda menos severos que óleo, água aquecida ou ar, sãobanhos de sal ou banhos de metal fundido.

Os banhos de sal são particularmente usados na têmpera dos aços rápidos; não cabeaqui uma descrição pormenorizada desses meios de resfriamento. Entretanto, cabe aobservação de que os banhos de sal, para o resfriamento durante o tratamento térmicodaqueles tipos de aços, são preferidos ao óleo ou ar tranqüilo porque permitemresfriamento uniforme e rápido nas faixas de altas temperaturas, onde o resfriamento émais crítico.

Quanto a banhos de metal fundido, o mais comum é o de chumbo, usadoparticularmente no "patenteamento", operação que será abordada adiante.

Outro meio de resfriamento usado na moderna indústria é representado por "gás”,para velocidades de resfriamento superiores às obtidas em ar tranqüilo e inferiores àsobtidas em óleo. O resfriamento é realizado colocando-se as peças austenitizadas nacâmara de resfriamento dos fornos de tratamento térmico, onde são submetidas à açãode uma corrente de gás que se move rapidamente. Esse meio de resfriamento gasosopode ser constituído de ar simplesmente até misturas complexas, como ascaracterizadas pelas atmosferas protetoras, que não somente produzem o tratamentochamado "brilhante", como também aumentam a velocidade de transferência de calorentre o gás e as peças.

São utilizados também polímeros líquidos, como meio de resfriamento.Esses meios podem substituir o óleo, sendo algum deles, como os glicóis mais

severos que os óleos, porém menos que a água.

1.1.6 Atmosfera do forno - Nos tratamentos térmicos dos aços, devem-se evitardois fenômenos muito comuns e que podem causar sérios aborrecimentos: a oxidaçãoque resulta na formação indesejada da "casca de óxido" e a descarbonetação que podeprovocar a formação de uma camada mais mole na superfície do metal.

As reações de oxidação mais comuns são:

2Fe + O2 = 2FeO, provocada pelo oxigênio;Fe + CO2 = FeO + CO, provocada pelo anidrido carbônico;Fe + H2O

= FeO + H2, provocada pelo vapor de água.

A reação provocada pelo anidrido carbônico é reversível; de fato, se a misturagasosa de CO e CO2 for rica em CO2, ela oxidará o ferro a temperaturas elevadas, mas



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se for relativamente rica em CO, tal mistura reduzirá o FeO. A reação pelo vapor deágua é igualmente reversível, uma mistura de H2 e vapor de água é oxidante se rica emvapor e redutora se rica em hidrogênio.

A descarbonetação pode processar-se simultaneamente com a oxidação ou aformação de casca de óxido; o processo nada mais é do que uma oxidação preferencial

do carbono, ocorrendo as reações quer a temperatura abaixo da zona crítica, quando ocarbono está na forma de Fe3C ou a temperatura acima da zona crítica, estando ocarbono presente na austenita. Os agentes descarbonetantes usuais são o oxigênio, oanidrido carbônico e o hidrogênio, segundo as reações seguintes:

2C + O2 = 2COC + CO2 = 2COC + 2H2 = CH4

Tais fenômenos, de oxidação e de descarbonetação, são evitados pelo uso de umaatmosfera protetora, ou controlada no interior do forno, a qual, ao prevenir a formação da"casca de óxido", torna desnecessário o emprego de métodos de limpeza e, ao eliminar adescarbonetação, garante uma superfície uniformemente dura e resistente ao desgaste.

Escapa à finalidade desta obra uma descrição dos vários tipos de atmosferas proteto-ras usadas nos tratamentos térmicos dos aços. Num rápido apanhado, entretanto,convém mencionar que as atmosferas mais comuns são obtidas pela combustão total ouparcial de carvão, óleo ou gás. Tais atmosferas podem apresentar oxigênio, nitrogênio,anidrido carbônico, vapor de água, óxido de carbono, hidrogênio, hidrocarbonetos, etc. Ohidrogênio e a amônia dissociada, esta última como fonte econômica de hidrogênio,também pode ser usadas, se bem que não tanto frequentemente.

O hidrogênio atua como atmosfera redutora e do mesmo modo a amônia dissociada.O óxido de carbono atua também, no tratamento térmico dos aços, como atmosferaredutora. É de notar, contudo, que o hidrogênio e o óxido de carbono não são apenas

agentes redutores. O hidrogênio sempre e o óxido de carbono, sob certas condições,podem provocar descarbonetação, de modo que seu uso deve ser estudadoadequadamente para que um objetivo não seja atingido com sacrifício de outro - porexemplo, evitar a casca de óxido sem impedir a descarbonetação.

De outro lado, os hidrocarbonetos sempre e o CO também sob certas condiçõespodem carbonetar o aço. Em resumo, é preciso sempre um estudo cuidadoso das pro-porções corretas dos vários constituintes de uma atmosfera protetora para que, no trata-mento térmico normal dos aços, sejam evitadas a oxidação e tanto a descarbonetaçãocomo a carbonetação. A Tabela 9 adaptada da publicação "Metal Progress DataSheets"(31} resume as reações que ocorrem no interior dos fornos, devido às atmosferascomuns presentes, apontando esquematicamente o tipo de reação, a porcentagem de-sejada para que não ocorra descarbonetação, além de sugerir quais as atmosferas mais

indicadas para cada fim. Atmosferas a base de nitrogênio, sobretudo as nitrogênio/álcool, estão sendoempregadas de modo crescente. Por exemplo, a adição de metanol no nitrogênioconstitui num meio protetor que substitui uma atmosfera endotérmica. Uma composiçãotípica é a seguinte: CO,- 18 a 20%, H2 - 32 a 40%, N2 - 36 a 49%, CH4 - 1 a 4%, CO2 + H2 - 0,10 a 0,30%.

Às vezes, para obter os mesmos resultados proporcionados pelas atmosferas proteto-ras, usa-se como meio de aquecimento banhos de sal fundido; o tratamento térmico dosaços rápidos constitui o exemplo mais importante.

Os tratamentos térmicos (termo físicos) usuais dos aços são: recozimento,normalização, têmpera, revenido, têmpera superficial, coalescimento e ostratamentos isotérmicos.



167



2. O AÇO

O aço é uma liga de ferro com o teor de carbono variando na faixa de 0,008 a2,11% . Os elementos básicos da composição do aço são: manganês, silício, fósforo e

enxofre. Outros elementos químicos podem ser adicionados para conferir propriedadesespecíficas.

O fósforo e o enxofre são impurezas, resultantes do processo de fabricação doferro primário (ferro-gusa ou ferro-esponja), com exceção dos aços de usinagem fácil(ressulfurados e refosforados), onde esses elementos são adicionados durante afabricação do aço.

2. 1. Classificação dos Aços.

Os aspectos fundamentais classificar os aços são os seguintes:a) Composição química.b) Processo de fabricação.

c) Tipo de aplicação.

Os aços poderá ser classificados em aços ligados e aços não-ligados ou açoscarbono. Os aços ligados poderão ser de baixa liga ou de alta liga, dependendo do teorde elementos de liga.

Os aços não-ligados ou carbono apresentam a seguinte composição básica:

- Carbono (0,04 a 0,95%)

- Manganês (Máximo 1,3%)- Silício (0,1 a 0,4%)- Fósforo (máximo 0,05%)- Enxofre (máximo 0,05%)

Os aços alterados, pela adição de elementos de liga, são classificados como:- Aços de baixa liga ( Soma do elementos de liga inferior a 5%)- Aços de Alta liga (Soma dos elementos de liga superior a 5%)

2. 1. 1. Aços Carbono

São aços de construção mecânica, e são classificados pela brasileira (ABNT)epelas normas SAE e AISI da seguinte forma:

10XX : As duas últimas casas (XX) indicam teor de carbono do aço multiplicadopor 100.

Exemplos: SAE 1020 (0,2%C): SAE 1045 (0,45%C)



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2. 1. 2. Aços Ligados

Nos aços de baixa liga a soma dos teores dos elementos de liga é menor que

5%, e são aços de construção mecânica.

Os aços de alta liga, que apresentam mais de 5%, são também classificados deacordo com a propriedade do material e o seu emprego, segundo a classificação básica aseguir:

- Aços para ferramentas.- Aços Inoxidáveis.- Aços Rápidos.

O aço inox é um exemplo típico, pois o seu nome indica a principal propriedadeque é a resistência à corrosão. Para isso são adiciona-se altos teores de cromo.

Nos aço para trabalho a quente o teor de molibdênio é elevado para permitir que oaço resista a temperaturas mais elevadas durante o trabalho.

Nos aços rápidos o teor de molibdênio e o teor de o de tungstênio são elevados ,para conferir resistência ao aço em trabalhos com temperaturas onde o calor presente éelevado e contínuo



169



2. 1. 3. Influência dos Elementos nos Aços

A tabela 1 mostrada a seguir os principais elementos empregados na fabricaçãodo aço , com as principais influências conferidas por esses elementos.

Elemento Efeito Sobre a PropriedadeCromo Aumenta a temperabilidade (é o mais forte), a resistência ao desgaste, a

resistência à corrosão (acima de 12%) e é forte formador de carbonetos.

Níquel Aumenta a tenacidade e a resistência mecânica e é fraco formador decarbonetos ficando em solução sólida.Estabiliza a austenita acima de 7%.

Molibdênio Melhora a temperabilidade, aumenta a resistência a quente e inibe afragilização de revenimento.

Aumenta a temperabilidade, (menos que o manganês) e é formador decarbonetos. Promove a formação de bainita (aços bainíticos).Tungstênio Aumenta a temperabilidade e a resistência em temperaturas elevadas

(mantêm a dureza). Aumenta a temperabilidade muito pouco e é grandeformador de carbonetos (mais de 12% em aços rápidos).

Silício Aumenta a resistência mecânica de aço endurecendo a ferrita,diminuindo aductilidade. Tem grande tendência em formar solução sólida. Atua comodesoxidante em fabricação de aços de alto carbono.

Manganês Aumenta a temperabilidade (só perde para o cromo), Inibindo a açãofragilizante do enxofre a quente. É formador de carbonetos mas ficabastante em solução sólida.

Fósforo Aumenta a dureza e a resistência de aços de baixo carbono.Tem efeitofragilizante frio, e é também utilizado para melhorar a usinabilidade.

Enxofre Fragiliza o aço em altas temperaturas, e também é utilizado para facilitar ausinagem.

Alumínio Inibe o crescimento do grão austenítico e é adicionado em aços paraaumentar a nitretabilidade. É utilizado como desoxidante em aços de baixocarbono.

Titânio Inibe o crescimento de grão, Aumenta a temperabilidade quandodissolvido.Diminui a temperabilidade quando forma carbonetos ou nitretos(é formadorde nitretos).

cobalto Mantém a dureza a quente e aumenta a dureza da ferrita. è formador decarbonetos e diminui a temperabilidade.

Boro Aumenta extraordinariamente a temperabilidade (teores de 8 a 11ppm).

Vanádio Inibe o crescimento de grão. Quando dissolvido aumenta atemperabilidade.

Favorece o surgimento de dureza secundária e é formador de carbonetos enitretos.



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3. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

3. 1. Fases de SistemaQuando em uma mistura, as diferentes partes misturadas são visíveis, cada uma

parte irá formar uma fase. Quando na mistura, o soluto for totalmente solúvel no solvente,ter-se-á uma mistura homogênea. Se o soluto não for totalmente solúvel, ter-se-á umamistura heterogênea.

3. 2. Termodinâmica e Cinética Química

A cinética química analisa as velocidades nas quais as reações químicasocorrem. Esta reações podem ser instantâneas (combustão da gasolina), ou muito lentas(formação do petróleo que leva milhões de anos). No entanto, a velocidade da reação

poderá aumentar ou diminuir , se houver variação da pressão e da temperatura.Para exemplificar tomemos a água que ferve a 100ºC em uma atmosfera (pressão

normal). Aumentado-se a pressão, a água ferverá acima de 100ºC. Diminuindo-se apressão, a água irá ferver abaixo de 100ºC.

A termodinâmica por sua vez, analisa as reações sob o ponto de vista de troca decalor. Ela prevê se uma reação irá ocorrer ou não, a uma determinada condição depressão e temperatura. Pelo estudo termodinâmico é possível estimar a pressão com quea água ferverá a quando submetida a uma variação de temperatura.

3. 3. Equilíbrio Termodinâmico

Quando as fases presentes em um sistema não mudam a uma determinadatemperatura e a uma determinada pressão dizemos que o sistema está em equilíbrio. Oequilíbrio ocorre nas condições normais de pressão e temperatura determinados peloestudo termodinâmico, ter-se-á o equilíbrio estável.

Quando o equilíbrio correr fora da estabilidade, ter-se-á o equilíbrio metaestável ,que poderá ser alterado.

3. 4. Solubilidade

Uma mistura é formada por um solvente (presente em maior parte) e por solutos

(componentes presentes em quantidades menores). Dependendo da concentração dosoluto, este poderá estar totalmente solúvel, ou formando uma outra fase.

Exemplo: O cloreto de sódio totalmente solúvel em água nas CNTP é de 45% ede 55% de água. Aumentado a quantidade de sal, o excesso não dissolver na água,formando duas fases distintas (água com sal solúvel e sal hidratado, não soluvel).

Aumentando a temperatura da água para 80ºC, será possível dissolver 55g de sal,em 45g de água.

O mesmo fenômeno ocorrerá para outros tipos de mistura. As ligas metálicas, quesão misturas de sólidos, formam sistemas onde a solubilidade de seus componentespoderão ser alteradas através da mudança da pressão e da temperatura.



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3. 5. Estrutura Cristalina

Os átomos de materiais cristalinos sólidos são formados por átomos que seagrupam de forma ordenada formando figuras poliédricas regulares. Os metais, com

exceção do mercúrio que é líquido, são cristalinos.

3. 6. Estrutura Cristalina dos Metais

Os metais formam cristais cúbicos ou hexagonais. A forma cúbica poderá ser decorpo centrado (c.c.c.) de face centrada (c.f.c.).

a) Cúbicos de Corpo Centrado:Ferro, tungstênio, vanádio, molibdênio, cromo emetais alcalinos (Lítio, sódio, potássio).

Figura 1: Sistema cúbico de corpo centrado.

b) Cúbicos de Face Centrada: ferro, cobre, prata, ouro, níquel, alumínio,

chumbo e platina.

Figura 2: Sistema cúbico de face centrada.

c) Hexagonais : Magnésio, zinco, zircônio, titânio, berílio e cádmio.

Figura 3: Sistema Hexagonal compacto.



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3. 7. Recristalização

A deformação a frio altera as propriedades de um metal. A resistência mecânicaaumenta e a ductilidade diminui. Reaquecendo o metal deformado a frio numa

temperatura em torno 50% da temperatura de fusão ocorrerá a recristalização,recuperando-se ductilidade com o aumento da resistência mecânica pelo refino de grão.

3. 8. Alotropia

Alotropia é a mudança forma cristalina em função da temperatura. O ferro é ummetal que apresenta alotropia.Da temperatura ambiente até 912ºC é c.c.c, a partir daíaté 1395ºC é cf.c., onde se transforma novamente em c.c.c.

3. 9. Formação de uma Outra Fase

Em uma mistura metálica, os átomos do soluto poderão estar ocupando espaçosintercristalinos do solvente. Em outras palavras, estará dissolvido. Porém, apóspreencher todos os espaços disponíveis, a solubilidade do soluto no solvente estaráultrapassada.

Quando isso ocorre, se formará uma outra fase que terá propriedades diferentesda anterior. No ferro (c.c.c.) só é possível dissolver 0,008%C Acima disso, o carbonoque sobra irá formar o carboneto de ferro (Fe3C).

4. DIAGRAMAS DE FASE

Os diagramas de fase são gráficos que relacionam a temperatura com acomposição química com as fases presentes.

4. 1. O Diagrama Ferro X Carbono

O diagrama que representa as ligas ferro/carbono é o diagrama ferro x carbono,onde é possível identificar as fases presentes em equilíbrio (Ver anexo 1). Os aços,segundo o diagrama podem ser classificados em:

- Aços Hipoeutetóides (C<0,8%)- Aços Eutetóides (C = 0,8%)

Figura 4: Diagrama alumínio – magnésio



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- Aços Hipereutetóides (C> 0,8%)

4. 1. 1 Fases Presentes no Aço

Os aços as sua forma mais simples (aço carbono) apresentam fases que estãorepresentadas no diagrama ferro/carbono. Estas fases são as seguintes:

a) Austenita ( Fe ): É a mistura de ferro c.f.c com carbono na forma solúvel.b) Ferrita ( Fe ):É a mistura de ferro c.c.c com carbono solúvel (máx 032%C a

723º)d) Cementita ( Fe3C ):É o carboneto de ferro formado com o carbono que não é

solúvel. d) Perlita:É a mistura de ferrita e cementita em lamelas. É assim chamada porquetem aspecto semelhante à casca de ostra. É o resultado de uma reação eutetóide.

4. 1. 2 Informações Importantes do Diagrama Fe x C

As linhas do diagrama de fases ferro x carbono que são importantes sãoidentificadas da seguinte maneira:

Linha A3: Determina a temperatura acima da qual todo o ferro nos açoscarbono hipoeutetóides estará na forma de austenita, isto é, CFC.

Linha A1: Determina a temperatura abaixo da qual todo o ferro nos aços carbonohipoeutetóides o carbono estará na forma CCC.

Linha ACm: Determina a solubilidade máxima do carbono na austenita.Determina também a temperatura a partir da qual todo o ferro estará na forma deaustenita em aços hipereutetóides.

5. TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS REALIZADOS EM METAIS

Os tratamentos térmicos realizados nos metais podem ser de três tipos. Estespodem ser:

- Recristalização com deformação prévia.- Precipitação de uma segunda fase.- tratamento térmico com mudança alotrópica.

5. 1 Recristalização com Deformação PréviaPara eliminar a estrutura de solidificação do aço, que é frágil, é necessário

deformação. No ferro, onde ocorre transformação alotrópica, recristalização ocorre já nosprocessos realizados a quente. A austenita recristaliza formando grãos ferríticos maisfinos.

Os processos de conformação podem ser realizados das seguintes maneiras:a) A frio (temperatura abaixo de 30% da temperatura de fusão.b) A morno (temperatura entre 30 e 50% da temperatura de fusão).c) A quente (temperatura acima de 50% da temperatura e fusão).

Nos metais onde não ocorrem transformações alotrópicas (ex.:alumínio e cobre),

que apresentam alta ductilidade e plasticidade, a recristalização é realizada comdeformação a frio prévia, com aquecimento subseqüente a uma temperatura em torno de50% da temperatura de fusão.



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5. 2 Solubilização e Precipitação (Envelhecimento)

Na figura 4, (diagrama alumínio/magnésio) existe um campo monofásico (Al) e umcampo bifásico Al + beta. Realizando um resfriamento rápido a partir desse campo

monofásico é possível retornar a temperatura ambiente mantendo o campo monofásico(somente alfa). Esse processo é denominado de solubilização. A seguir, com o passar dotempo, irá se formar novamente a fase beta, na etapa denominada de precipitação.

A precipitação poderá ocorrer em temperatura ambiente - EnvelhecimentoNatural, ou poderá ser acelerada realizando-a em temperaturas acima da temperaturaambiente – Envelhecimento Artificial.

O aumento de resistência mecânica será mais intenso mediante a realização doenvelhecimento artificial. Porém, se no envelhecimento artificial forem utilizado temposmuito prolongados, poderá ocorrer o superenvelhecimento, com perda de resistênciamecânica.

%Mg

Figura 5: diagrama Al x Mg.

5. 3 Tratamento Térmico com Mudança Alotrópica

Em metais onde ocorrem transformações alotrópicas é possível alterar aspropriedades mecânicas através do aquecimento e resfriamento realizados em tempos eem velocidades diferentes

O ferro apresenta mudanças alotrópicas nas seguintes temperaturas: Até 912ºC oferro é c.c.c (ferro ), de 912 a 1395ºC o ferro é c.f.c. (ferro ), de 1395 a 1535ºC o ferro énovamente c.c.c (Ferro ).



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5. 4 Tamanho De Grão Austenítico

O aço é formado por grãos cristalinos, cujo o tamanho influi na resistênciamecânica do aço. Grãos muito grosseiros fragilizam, enquanto grãos finos aumentam a

resistência. Por isso é necessário o controle do tamanho de grão.

Temperaturas elevadas do aço na forma austenítica, ou temposprolongados do aço no campo austenítico, fazem crescerrapidamente o grão,

Existem varias formas de se determinar o tamanho de grão. Uma delas é oMétodo Planimétrico de Jeffreis que utiliza uma área delimitada por um círculo de79,8mm de diâmetro, ou uma área circular ou quadrado de 5.000mm 2 . Os grãos queestão completamente dentro do círculo são contados e somados a metade do número degrãos interceptados pelo círculo interceptados pelo círculo. Para determinar o tamanho

de grão, utiliza-se a seguinte expressão (1) :

95,2grãosºnlog332,3G

Nº de grãos dentro do círculo = 44

Nº de grãos interceptados pelo círculo= 25

Nº de grãos /mm = (2) x ( 44 + 25 ) = 130

(O número 2 é o multiplicador de Jeffries para 100x).

95,2)130log(.332,3G 4,09



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Figura 6: Micrografia em 100x de um aço onde foram contados os grãos dentro e grãosinterceptados círculo.

Em aços de construção mecânica é aceito um tamanho de grão de 6 a 8 ASTM.Já para aços ferramentas o grão deverá ser o mais fino possível (menor que 8 ASTM).

A forma mais comum de medir o tamanho de grão é a utilização de uma lente nomicroscópio onde estão desenhadas as malhas com tamanhos de grão que variam de 1 a8 ASTM(a medida é feita por comparação).

(a) (b)

Figura 7: exemplo de malhas - (a) grão 1 ASTM ; (b) Grão 8 ASTM – 100X

5. 5. Temperatura de Austenitização

É a temperatura onde todo o ferro do aço estará na forma de austenita. Nostratamentos térmicos de normalização, têmpera, cementação e carbonitretação, o ferrodo aço deverá ser austenitizado totalmente, enquanto no recozimento isso não énecessário.

5. 6. Formas de Aquecimento

O aquecimento utilizado no tratamento térmico poderá ser realizado de várias : defornos mufla, fornos com atmosfera controlada, fornos a vácuo, banhos de sal fundido,

aquecimento por chama e aquecimento por indução.5. 7. Meios de Resfriamento

A escolha do meio de têmpera dependerá da velocidade com que se quer efetuar oresfriamento. Existem meios drásticos (salmouras), e meios mais suaves (óleo e ar).

a) Água: A água pode ser utilizada pura, misturada com sais e misturada compolímeros. O fator que limita do uso da água é o risco de deformações eocorrência de trincas. As principais vantagens do uso da água são: facilidade de obtenção, baixo custo enão é poluente. Porém, seu uso se restringe a peças de geometria simples esimétricas.



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Outra desvantagem para o uso da água é a formação do invólucro de vapor emtorno da peça durante o resfriamento, dificultando a remoção de calor. Nesse casoa adição de sal a água reduz a formação do invólucro de vapor.

Emulsões, algas, limo e partículas sólidas finas que estão dispersas na águadiminuem a velocidade de resfriamento.

b) Salmoura: Aplica-se quando a velocidade de resfriamento da água pura não ésuficiente. Com a adição de sal i se obtém taxas de resfriamento mais elevadas.

Tabela 2: Comparação entre meios de Resfriamento

Meio deResfriamento

Tempo (s)

Solução NaOH 0,31

Solução de NaCl 0,48

Tabela 3: Velocidade de resfriamento a partir de 880º C

(Centro de uma barra de aço de Ø ½¨)

SAL % eso Velocidade de

NaOH 2,5 200 ºC/s

NaOH 5,0 207ºC/s

NaOH 11 5 207ºC/s

NaOH 16 5 213ºC/s

NaCl 5 0 179ºC/s

NaCl 10,0 200ºC/s

CaCl 5 0 179ºC/s

CaCl 10 0 200ºC/s

CaCl 20,0 179ºC/s

Na CO

10,0 179ºC/s

Obs.: Temperatura do meio igual a 20C

c) Óleos

Os óleos são meios de resfriamento menos drásticos se comparados com a águapura e a salmoura. Os óleos podem ser : Óleos minerais ou óleos sintéticos.

- Óleos Minerais

São destilados de petróleo, e a viscosidade desses óleos é ajustada para

100 SUS a 38ºC.



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Podem ser convencionais e rápidos. Os óleos rápidos contêm aditivos paraacelera a capacidade de resfriamento.

A escolha do óleo é baseada na maioria dos casos em erro e acerto. Podese basear na experiência com as peças. Em outros casos deverão serrealizados testes para avaliar o comportamento do óleo.

A temperatura de trabalho se situa entre 40 e 90ºC. Temperaturas muitobaixas tornam o óleo muito viscoso diminuindo velocidade de extração docalor. Temperaturas muita elevadas baixam viscosidade a capacidade dearrefecimento, porém há o risco do óleo entrar em ignição.

O excesso de água contaminaste poderá se concentrar localizadamentedentro do tanque de óleo, formando uma grande quantidade de vapor , quese for muita rápida produzindo um efeito explosivo.

- Óleos Sintéticos

São substâncias orgânicas solúveis na água (polímeros). A concentraçãodesses polímeros na água permite obter meios com capacidade deresfriamento entre água e óleo mineral.

Entre as vantagens dos óleos sintéticos sobre os óleos minerais:

o Não são inflamáveis

o Não produzem gases durante a têmpera.

o Poluem menos.

o Não necessitam de grandes tanques para a sua estocagem.

o Filtram mais fácil que o óleo mineral. A concentração do polímero na água pode ser controlada por refratômetro ótico,

podendo ser facilmente ajustada.

Os tipos de polímeros são: PVA, PAG, PVP, PVP, PEO.



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6. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

Os tratamentos térmicos realizados sobre os aços que serão abordados aqui

serão os seguintes:- Normalização.

- Recozimento.

- Têmpera (Total, pro chama e por indução)

- Revenimento.

- Tratamentos Termoquímicos(cementação, carbonitretação e nitretação)

6. 1. Normalização

Esse tr atamento, esquematizado na f igur a 8, consiste no aquecimento do aço auma temper atura acima da zona crítica, seguido de r esfriamento ao ar tr anqüilo.

A normalização visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido principal-mente; freqüentemente, e com o mesmo objetivo, a normalização é aplicada em peçasdepois de laminadas ou forjadas. A normalização é ainda usada como tratamentopreliminar à têmpera e ao revenido, justamente para produzir estrutura mais uniforme doque a obtida por laminação, por exemplo, além de reduzir a tendência ao empenamentoe facilitar a solução de carbonetos e elementos de liga.

Sobretudo nos aços-liga quando os mesmos são esfriados lentamente após alaminação, os carbonetos tendem a ser maciços e volumosos, difíceis de dissolver emtratamentos posteriores de austenitização. A normalização corrige esse inconveniente.Os constituintes que se obtém na normalização são ferrita e perlita fina, ou cementita eperlita fina. Eventualmente, dependendo do tipo de aço, pode-se obter a bainita.

Como se viu, no caso dos aços-liga - produtos fundidos, laminados e forjados - utiliza-se a normalização como tratamento prévio de tratamento térmico definitivo. Em geral, atemperatura situa-se 35 a 40°C acima das linhas A3 ou Acm, conforme o aço emconsideração.

Do mesmo modo, em produtos fundidos, laminados ou forjados que não sofreram umresfriamento uniforme a partir de altas temperaturas, a normalização é aplicada pararefinar sua estrutura.

Os aços-liga hipereutetóides são normalizados para eliminação total ou parcial dosrendilhados de carbonetos que caracterizam suas estruturas. Obtém-se, assim, umaestrutura que, num tratamento de esferoidização posterior, apresenta-se cem por cento

esferoidizada, conferindo boa usinabilidade ao material e é mais adequada ao tratamentode têmpera.

Na normalização, o aço é aquecido até o campo austenítico, por um temposuficiente para que a temperatura da peça seja homogênea em toda a seção. Oresfriamento é realizado ao ar.



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Figura 8: Ciclo de normalização para um aço hipoeutetóide.

As estruturas são mais finas e diferenciadas em relação às estruturas derecozimento, e as propriedades mecânicas de resistência são maiores.

A história térmica se elimina com qualquer tratamento térmico de recristalização. A história plástica, no entanto é mascarada pela normalização e pode voltar aevidenciar-se no recozimento pois impurezas orientadas pela deformação plásticapermanecem em seus locais apesar da normalização. (estrutura em bandas).

A composição química irá influir muito no tipo de estrutura obtida após anormalização e, portanto, nas propriedades mecânicas obtidas.

Nos aços de baixo e médio carbono onde não existem elementos de ligadissolvidos a difusão atômica é mais fácil que em aços ligados, podendo os átomos

chegar mais rapidamente aos contornos de grão da estrutura anterior nucleando outrafase, favorecendo a formação de grãos finos, como mostra a figura 9.

(a) (b)Figura 9: (a) Aço de baixo carbono apresentando grãos de tamanho 9 ASTM,

200x;(b) Perlita – 1000x

Em aços ligados ou de alto carbono a difusão atômica é mais lenta e os átomos nãotem mobilidade suficiente para chegar até os contornos de grão. produzindo estruturas dotipo martensita e bainita com quantidades variáveis de ferrita.

http://www.multimedium-si.com/default/lam-iut/microestructuras/Acero/paginas/F_aisi1020.html



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6. 1.1 Objetivos da Normalização

A normalização é utilizada para:

a) Refinar grão austenítico: Nos processo de conformação em que aquecimento pode

ocorrer em temperaturas muitas elevadas, os grãos podem crescer a ponto de tornaro material frágil. A normalização, desde que utilizada adequadamente, pode refinaressa estrutura.

b) Homogeneizar a microestrutura: a heterogeneidade do tamanho de grão pode sercorrigida pela normalização.

c) Aumentar resistência mecânica por refino de grão: o refinamento do grãoaustenítico aumenta a resistência mecânica.

d) Minimizar o efeito da estrutura dendrítica do aço fundido: quando o aço é fundido,

e estrutura de fusão é grosseira, e traz consigo um efeito fragilizante.

Para aços laminados, produtos de aciaria, onde a microestrutura é razoavelmentehomogênea, a normalização é aplicável somente a aços de médio a baixo carbono.

Aços de alto carbono normalizado apresenta condições inadequadas parausinagem ou conformação. A estrutura cem por cento perlítica apresenta uma dureza quedificulta o trabalho desses materiais. De um modo geral, esses aços são fornecidosesferoidizados (dureza mais baixa possível).

6. 1. 2. Microestrutura de Um Aço Normalizado

6. 1. 2. 1. Aços ao Carbono

Os aços ao carbono podem ser classificados conforme o seu teor de carbono epara cada tipo existirá uma microestrutura característica após a normalização.

Tabela 1: Microestruturas de Aços Normalizados (Diagrama ferro xperlita)

TIPO % C MICROESTRUTURAHipoeutetóide < 0,8 Ferrita + perlita finaEutetóide =0,8 100% perlita finaHipereutetóide >0,8 Perlita + Cementita fina

6. 1. 2. 2. Aços Ligados

Aços de baixo teor de liga normalizados apresentarão estruturas mistas quepoderão ser inadequadas ao processo de usinagem ou conformação. Estes aços emgeral são fornecidos na condição de aço beneficiado, que são mais adequados aoprocesso de fabricação.



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Os aços de alta liga poderão endurecer se normalizados, pois poderão temperarao ar, sendo, portanto inadequada a normalização. Estes aços são fornecidosesferoidizados, que é a apresenta a menor dureza.

6. 1. 3. Falhas de Normalização

Existem problemas que podem aparecer no aço devido ao uso incorreto doprocesso de normalização, que se devem a vários fatores. Os principais serão descritos aseguir.

a) Excesso de Temperatura na Austenitização: Os grãos austeníticos muitograndes fazem com que a ferrita se forme nos contornos do grão, dispondo aferrita na forma de uma rede em torno do grão. Se o aquecimento for muitointenso ocorrerá a formação da estrutura de Widmanstätten, onde a ferrita pornão ter mais contornos para se formar, irá nuclear para dentro do grãoaustenítico.

b) Descarbonetação: É o fenômeno da perda de carbono do aço produzido pelareação do carbono com o oxigênio da atmosfera do forno em alta temperatura, ou vaporde água existente na atmosfera do forno.

Figura 10: Ferrita em contornode grão em um aço SAE 1045

superaquecido e resfriado ao ar.

Figura 11: Aço 1045 normalizadoa 950ºC. Estrutura deWidmanstätten (perlita fina e

ferrita em contorno comprolongamentos aciculares para



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c) Estrutura em bandas: Durante o resfriamento do aço nucleia primeiro a ferritapara depois a perlita. Nos aços deformados plasticamente em alta temperatura,durante o resfriamento a ferrita se forma em torno das inclusões não-metálicasorientadas pela deformação, para depois, em temperatura mais baixa, se formar aperlita nos espaços entre estas franjas de ferrita.

Quando ocorre uma banda de ferrita com inclusões em seu interior, chamamoseste defeito de linha fantasma, que apresentará muitos inconvenientes durante ausinagem.

Para evitar a formação destas linhas se acelera o resfriamento no intervalo detemperatura onde se forma a ferrita. Com isso, a perlita se formará mesclada coma ferrita, resultando numa estrutura fina e homogênea.

6. 2. Recozimento

É o tratamento térmico realizado com o fim de alcançar um ou vários dosseguintes objetivos: diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço,

remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente, alteraras propriedades mecânicas como resistência, ductilidade etc., modificar os

Figura 12: Aço SAE 1045descarbonetado, mostrandoferrita (clara) na superfície.Ataque: Nital 3%.

Figura 13: Seção longitudinal deum a chapa fina de aço recozido apresentandotextura

alinhada com inclusões de sulfetode manganês alinhadas - 150x.Ataque : nital 3%.



184



característicos elétricos e magnéticos, ajustar o tamanho de grão, regularizar atextura bruta de fusão, remover gases, produzir uma microestrutura definida,eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a queo aço tiver sido anteriormente submetido.

° O tratamento genérico recozimento abrange os seguintes tratamentos específicos:

6.2.1. Recozimento total ou pleno

Consiste no aquecimento do aço acima da zona crítica durante o temponecessário e suficiente para ter-se a solução do carbono ou dos elementos de ligas noferro gama, (austenita) seguido de resfriamento lento, realizado sob condições quepermitam a formação dos constituintes normais de acordo com o diagrama de equilíbrioferro carbono. Esse resfriamento lento pode significar manter a peça no interior do fornoe controlar a velocidade de resfriamento do mesmo ou desligar o forno, após o ciclo deaquecimento e deixar que as peças de aço resfriem ao mesmo tempo que ele.

O recozimento pleno está esquematizado na figura 14. Nessas condições, obtém-se aperlita grosseira que é a microestrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços debaixo e médio teor de carbono. Para aços de alto carbono, a perlita grosseira não évantajosa sob o ponto de vista de usinabilidade e neles prefere-se uma estruturadiferente - a "esferoidita" - obtida pelo coalescimento, como se verá mais adiante.

A figura 15 mostra a faixa de temperaturas para recozimento pleno.Como se vê, a prática comum para recozer aços hipoeutetóides é aquecer a

temperaturas acima da linha superior de transformação A3 (mais ou menos 50°C acima),de modo a obter-se austenitização completa. Nos aços hipereutetóides, aquece-se acimada linha A1, não se devendo atingir ou ultrapassar a linha Acm porque, no resfriamentolento posterior, forma-se nos contornos de grão da austenita um invólucro contínuo efrágil de carbonetos, que iria conferir excessiva fragilidade aos aços. Já na normalização,

tratamento que será discutido posteriormente, como o resfriamento é mais rápido - ao ar -não se tem a formação desse invólucro de carbonetos. Desse modo, o aquecimento nanormalização dos aços hipereutetóides pode ser levado a temperaturas acima da linha Acm.

A figura 14 indica que os constituintes estruturais que resultam do recozimento plenosão: perlita e ferrita grosseira para os aços hipoeutetóides, perlita e cementita grosseirapara os aços hipereutetóides e apenas perlita grosseira para os aços eutetóides.

A influência da temperatura de aquecimento no recozimento sobre as propriedadesdos aços está indicada na figura 15, relativa a um aço com 0,4% de carbono, no estadoligeiramente encruado.

Tabela 1: Microestruturas de Aços Recozido (Diagrama ferro x perlita)

TIPO % C MICROESTRUTURAHipoeutetóide < 0,8 Ferrita + perlita grosseiraEutetóide =0,8 100% perlita grosseiraHipereutetóide >0,8 Perlita + Cementita grosseira



185



6. 2. 2 Recozimento isotérmico ou cíclico

O recozimento é empregado de diversas formas para inúmeras finalidades

mas as principais finalidades são:a) Diminuir a dureza de um aço.b) Ajustar a microestrutura de aços de baixa liga para uma estrutura lamelar.c) Obter uma microestrutura esferoidizada em aços ligados e de alto carbono.

como mostra o diagrama da figura 14a.

Figura 14a: Ciclos de Recozimento

6. 2. 3. Recozimento Pleno e Recozimento Isotérmico

Consiste no aquecimento do aço nas mesmas condições que para o recozimentototal, seguido de um esfriamento rápido até uma temperatura situada dentro da porçãosuperior do diagrama de transformação isotérmico, onde o material é mantido durante otempo necessário a se produzir a transformação completa. Em seguida, o esfriamento atéa temperatura ambiente pode ser apressado.

De um modo geral, o recozimento é realizado para baixar a dureza do material efacilitar os processos de usinagem e conformação.

A normalização nos aços ligados produz estruturas mistas que aumentam a

dureza e dificultam a usinagem. Em aços de alto carbono a estrutura épredominantemente perlítica, e também dificulta o trabalho sobre o material.



186



(a) (b)

Figura 15: (a) Aço Esferoidizado: (b) Aço parcialmente recozido.

Os produtos resultantes desse tratamento térmico são também perlita e ferrita, perlitae cementita ou só perlita. A estrutura final, contudo, é mais uniforme e mais fina que no

caso do recozimento pleno. Além disso, o ciclo de tratamento pode ser encurtadosensivelmente de modo que o tratamento é muito prático para casos em que se queiratirar vantagem do resfriamento rápido desde a temperatura de transformação e desta àtemperatura ambiente, como em peças relativamente pequenas que possam seraquecidas em banhos de sal ou de chumbo fundido.

6.2.4 - Recozimento para alívio de tensões ou sub-crítico

Consiste no aquecimento do aço a temperaturas abaixo do limite inferior da

zona crítica.O objetivo é aliviar as tensões originadas durante a solidificação ouproduzidas em operações de transformação mecânica a frio, como estampagemprofunda, ou em operações de endireitamento, corte por chama, soldagem ouusinagem. Essas tensões começam a ser aliviadas a temperaturas logo acima daambiente; entretanto, é aconselhável aquecimento lento até pelo menos 500°Cpara garantir os melhores resultados, De qualquer modo, a temperatura de aquecimentodeve ser a mínima compatível com o tipo e as condições da peça, para que não semodifique sua estrutura interna, assim como não se produzam alterações sensíveis desuas propriedades mecânicas.

Como se vê, o aquecimento é feito a uma temperatura inferior à da linha A 1, onde aspeças permanecem o tempo necessário, seguindo-se resfriamento ao ar geralmente. O

aquecimento a temperaturas entre 10° e 20°C abaixo a linha A1 produz a melhorcombinação de microestrutura, dureza e propriedades mecânicas.

6.2.5 Esferoidização

Esse tipo de recozimento tem por objetivo melhorar a usinabilidade e atrabalhabilidade a frio dos aços. O tratamento consiste num aquecimento eresfriamento subseqüente em condições tais a produzir uma forma globular ou

esferoidal de carboneto no aço. Há várias maneiras de produzir tal microestrutura, asaber:



187



Aquecimento a uma temperatura logo acima da linha inferior de transformação,seguido de esfriamento lento; Aquecimento prolongado a uma temperatura logo abaixo da linha inferior da zona

crítica; Aquecimento e resfriamento alternados entre temperaturas que estão logo acima e

logo abaixo da linha crítica inferior de transformação.

O recozimento de esfer oidização aplica-se pr incipalmente em aços de médio aalto teor de carbono, sobretudo para melhorar a usinabilidade. Quando o carbono é muitobaixo, a condição esferoidizada torna o aço extremamente mole e viscoso, por assimdizer , produzindo na usinagem cavacos longos e tenazes que dif icultam essa operação. A esferoidização de aços de baixo carbono tem por objetivo princ ipal permitir deformaçãosevera, sobr etudo em operações de estiramento a frio.

6. 3. Falhas mais Freqüentes no Recozimento

Os principais problemas durante o recozimento também ocorrem devido aoexcesso de temperatura, que também pode estar associado ao tempo prolongado emtemperatura.

Dentre os principais defeitos estão: crescimento de grão austenítico, a queima e ahiperglobulização.

6. 3. 1. Crescimento do Grão Austenítico no Recozimento

O crescimento do grão austenítico traz consigo a fragilização do aço e decorre douso de temperaturas elevadas. No caso, é necessário normalizar o aço para refinar o

grão e depois recoze-lo novamente.

Tabela 5: Ciclo para obter Estrutura Lamelar (Ferrita + perlita)

AÇO AUST.CONVENCIONAL ISOTÉRMICO DUREZA

HBResfriament

Velocidade. Patamar Tempo

4140 840ºC 755 - 670º 13ºC/h 670º C 6h 112

4340 830º C 700 - 570º C 8ºC/h 650º C 8h 2234320 880º C ------------- ---------- 660º C 6h 197

5120 880º C ------------- ---------- 690º C 4h 179

5140 830º C 740 - 670º C 10 ºC/h 670º C 6h 187

8620 880º C ------------- ---------- 660º C 4h 187

8640 830º C 730 - 640º C 10 ºC/h 660º C 6h 197

Fonte: Metals Handbook – Volume 4 – HEAT TRETMENT



188



Tabela 6 : Ciclo para Obter Estrutura Esferoidizada

AÇO AUST.CONVENCIONAL ISOTÉRMICO DUREZA

HBResfriament

Veloc. Tem eratu

Tem o

4140 750ºC 750 - 670º C 10ºC/h 670º C 9h 1124340 750º C 750 - 670º 6ºC/h 650º C 12h 223

4320 770º C ------------- ---------- 660º C 8h 197

5120 750º C 750 - 670ºC 10ºC/h 670º C 10h 179

5140 790º C ------------- ---------- 690º C 8h 187

8620 830º C ------------- ---------- 660º C 8h 187

8640 790º C 730 - 640º 5 ºC/h 660º C 8h 197

52100 790ºC730 - /640ºC

5 ºC/h 690ºC 16h 187

Fonte: Metals Handbook – Volume 4 – HEAT TRETMENT

6. 3. 2. Queima do Aço

O uso de temperaturas elevadas durante o processamento do aço pode causaruma falha que é a queima. Esta queima pode ocorrer em três níveis:

b)Queima de 1º Grau: Em temperaturas próximas a ponto de fusão o sulfetode manganês o que está no contorno do grão inicia a fusão do aço. E ocarbono da matriz migra para a região líquida, concentrando de carbononessa região. Ao resfriar, irá se formar uma rede de cementita no contorno degrão que irá fragilizar o material.

b) Queima de 2ºGrau: O oxigênio que entra entre contornos de grão reagecom carbono da o carbono concentrado nessa região formando monóxido, queirá permanecer no aço após o resfriamnto na forma de bolhas de gás.

c) Queima de 3º Grau: Após a eliminação de todo o carbono do contorno, o

oxigênio reage com o ferro formando óxido de ferro no contorno de grão. odeixando uma franja de ferrita.



189



A queima de primeiro grau pode ser eliminada por um tratamento térmico derecozimento para homogeneização. A queima de segundo grau pode ser eliminada por

forjamento e recozimento de homogeneização posterior. A queima de terceiro grau não éregenerável.

6. 4. Têmpera

Têmpera - Consiste no aquecimento do aço até sua temperatura de austenitização -entre 815° e 870°C - seguido de resfriamento rápido.

O que determina a dureza final é o teor de carbono da martensita e a quantidade demartensita formada. O teor de carbono do aço determinará o teor de carbono da

martensita e a quantidade de martensita formada dependerá da temperabilidade do aço.Os meios de resfriamento utilizados dependem da endurecibilidade dos aços (teor de

carbono e presença de elementos de liga), da forma e dimensões das peças submetidasà têmpera, porque o que se procura nessa operação, é a obtenção da estruturamartensítica, para o que se deve, portanto, fazer com que a curva de resfriamento passeà esquerda do cotovelo da curva em C - como a figura 63 mostra, evitando-se assim atransformação da austenita no seus produtos normais.

Os meios mais comuns de resfriamento são líquidos ou gasosos. No caso dos meioslíquidos, os mais comumente usados são:

Água Água contendo sal ou aditivos cáusticos

Óleo, que pode conter uma variedade de aditivos Soluções aquosas de polímeros

Os meios gasosos mais comuns, além do ar, são gases inertes, como nitrogênio, hélioe argônio.

A velocidade de resfriamento de alguns desses meios já foi vista.Existe uma série de variações nas operações de têmpera:

• têmper a di ret a , que é o processo mais usado, ou seja, resfriamento rápido, emmeio apropriado, diretamente a partir da temperatura de austenitização;

• têmpera em tem po var iável , técnica utilizada quando a velocidade de resfriamentodeve ser repentinamente mudada, durante o ciclo de resfriamento. Essa técnica pode

Figura 16: Aço superaquecido e

queimado na periferia. Observa-sedescarbonetação intensa e oxidaçãodos contornos de grão.



190



significar um aumento ou diminuição da velocidade de resfriamento, em função dosresultados desejados. O que se faz mais comumente é resfriar rapidamente até que oaço ultrapasse o cotovelo do diagrama TTT e, em seguida, transferir o material paraoutro meio de resfriamento - óleo, ar ou gás inerte - de modo a promover umresfriamento mais lento, através da faixa de formação da martensita, o que diminui a

tendência de empenamento, fissuração e mudanças dimensionais;

• têmpera sel etiva , consiste em temperar apenas determinadas secções das peças,para o que se isola as áreas que não devem ser temperadas;

• têmpera interrompid a , inclui os processos de austêmpera e martêmpera, a seremestudados mais adiante.

Como na têmpera o constituinte final desejado é a martensita, os objetivos dessaoperação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, são aumento da dureza doaço e da sua resistência à tração. Na realidade, o aumento da dureza deve ocorrer até

uma certa profundidade.Resultam também da têmpera, redução da ductilidade (baixos valores de

alongamento e estricção), da tenacidade e o aparecimento de apreciáveis tensõesinternas, que podem, se não bem controladas, ocasionar deformação, empenamento efissuração.

Para que a operação de têmpera seja bem sucedida, vários fatores devem serlevados em conta.

Inicialmente, a velocidade de resfriamento deve ser tal que impeça a transformaçãoda austenita nas temperaturas mais elevadas, em qualquer parte da peça que se desejaendurecer. De fato, as transformações da austenita nas altas temperaturas podem darcomo resultado estruturas mistas, as quais ocasionam o aparecimento de pontos molesalém de conferirem aos aços baixos valores para limite de escoamento e pararesistência ao choque. Portanto, a secção das peças constitui outro fator importanteporque pode determinar diferenças de resfriamento entre a superfície e o centro.

Em peças pequenas ou de pequena espessura, essa diferença é desprezível. Omesmo, contudo, não se dá com peças de grandes dimensões, no centro das quais avelocidade de esfriamento é menor do que na superfície, resultando estruturas detransformação mistas, a não ser que o teor de elementos de liga do aço seja suficientepara impedir essa transformação e produzir somente a estrutura martensítica.

Às vezes, por outro lado, é conveniente um núcleo mais mole e, então, escolhe-se umaço e uma velocidade de esfriamento que produzam superfície dura e núcleo mais macio.

A razão da alta dureza da martensita é que o carbono dissolve-se prontamente noferro gama, mas é praticamente insolúvel no ferro alfa. Os átomos de carbono no ferro

gama se distribuem nos espaços entre os átomos de ferro, isto é, no interior dasunidades cúbicas de face centrada. Entretanto, os espaços entre os átomos de ferro noreticulado cúbico de corpo centrado são incapazes de acomodar átomos de carbono semque se produza considerável deformação do reticulado. Esse é o motivo da baixasolubilidade do carbono no ferro alfa (ferrita).

Quando a austenita é resfriada a uma temperatura em que não é mais estável, o ferrogama passa a alfa e o carbono é expulso da solução sólida, combinando-se com o ferrode modo a formar o carboneto Fe3C. Este Fe3C possui reticulado complexo com poucosplanos de escorregamento e é extremamente duro. Com o ferro ele forma, como se sabe,o constituinte lamelar perlita.

Quando se aumenta a velocidade de esfriamento da austenita, pode-se chegar a umavelocidade tão alta que não permite a expulsão do carbono da solução sólida para formar

o Fe3C, verificando-se somente passagem da forma alotrópica do ferro de gama a alfa.Tem se, então, uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa, constituindo



191



a martensita (fig. 66), cuja extrema dureza deve ser atribuída à distorção do reticuladocúbico centrado causada pela supersaturação.

Admite-se hoje que a martensita apresenta uma estrutura tetragonal centrada e nãocúbica, formada por um movimento de átomos em planos específicos da austenita. Essaestrutura está sujeita a microtensões elevadas e se apresenta também supersaturada de

carbono ou contém partículas de carbonetos grande mente dispersas. Além do efeito da supersaturação, a dureza da martensita é atribuída também a uma

densidade de defeitos cristalinos, especialmente discordâncias e contornos de ângulosaltos e baixos. A tenacidade da martensita fica assim prejudicada e, a não ser em açosde baixo carbono, é insuficiente para determinadas aplicações.

O efeito da têmpera na estrutura dos aços-liga, sobretudo os altamente ligados, ondeestão presentes alguns carbonetos, será abordado por ocasião do estudo desses aços.

Como já foi mencionado, a martensita é constituinte mais duro e mais frágil dos aços. A figura 64(18) mostra como pode variar a dureza da martensita em função do teor decarbono. Por outro lado, o gráfico indicado apresenta duas curvas: a superior, relativa amáxima dureza que se pode obter com o resfriamento mais rápido possível e a inferior,relativa à dureza média, como normalmente se obtém nas condições práticas detratamento de têmpera.

Um fator importante a considerar na operação de têmpera, devido à ação que exercena estrutura final do aço, é a temperatura de aquecimento. Em princípio, qualquer queseja o tipo de aço - hipoeutetóide ou hipereutetóide - a temperatura de aquecimento paratêmpera deve ser superior à da linha de transformação A1, quando a estrutura consistiráde grãos de austenita, em vez de perlita. O aço sendo hipoeutetóide, entretanto, além daaustenita, estarão presentes grãos de ferrita. Assim sendo, um aço com tal estrutura,quando resfriado em água, por exemplo, apresentará martensita conjuntamente comferrita, pois esta que estava presente acima da temperatura A1 não sofre qualqueralteração ao ser o aço temperado. Tem-se, portanto, têmpera ou endurecimentoincompleto do material, o que geralmente deve ser evitado, pois na têmpera visa-se obter

a máxima dureza. Em conseqüência, ao aquecer-se um aço hipoeutetóide para atêmpera, deve-se elevar sua temperatura acima do limite superior da zona crítica - linha A3 - pois então a sua estrutura consistirá exclusivamente de austenita que setransformará em martensita no resfriamento rápido subseqüente. É evidente quedevem ser evitadas temperaturas muito acima da A3, devido ao superaquecimento que sepoderia produzir, e que ocasionaria uma martensita acicular muito grosseira e de elevadafragilidade.

Ao contrário dos aços hipoeutetóides, os aços hipereutetóides são normalmenteaquecidos acima de A1, sem necessidade de se ultrapassar a temperaturacorrespondente a A3. De fato, acima de A1 o aço será constituído de grãos de austenita epequenas partículas de carbonetos secundários. No resfriamento subseqüente, aestrutura resultante apresentará martensita e os mesmos carbonetos secundários. Como

estes apresentam uma dureza até mesmo superior à da martensita, não haverá maioresinconvenientes. Procura-se, por outro lado, evitar nesses aços hipereutetóides, oaquecimento acima de A3, visto que a austenita resultante apresentará granulaçãogrosseira, com conseqüente martensita acidular grosseira, cujos inconvenientes já foramapontados.



192



Fig. 17 -Aspecto micrográfico de aço temperado: martensita. Ataque: reativo de nital.

Ampliação: 1.000 vezes. Percebe-se perfeitamente a estrutura tipicamente aciculardesse constituinte.

Pelo que foi exposto sobre a natureza da estrutura martensítica, conclui-se que amesma se caracteriza por excessiva dureza e por apresentar tensões internasconsideráveis. Simultaneamente a essas tensões, por assim dizer estruturais, o açotemperado caracteriza-se por apresentar tensões térmicas. Estas são ocasionadas pelofato de que materiais resfriados rapidamente, esfriam de maneira não uniforme, visto quea sua superfície atinge a temperatura ambiente mais rapidamente do que as regiões maiscentrais, ocasionando mudanças volumétricas não uniformes, com as camadassuperficiais contraindo mais rapidamente do que as regiões internas. Comoconseqüência, tem-se a parte central sob compressão e as camadas mais externas sobtração.

Em última análise, pois, depois de temperado, o aço apresenta-se em estado deapreciáveis tensões internas, tanto de natureza estrutural como de natureza térmica.Quando estas tensões internas ultrapassam o limite de escoamento do aço, ocorre suadeformação plástica e as peças apresentar-se-ão empenadas; se, entretanto, as tensõesinternas excederem o limite da resistência à tração do material, então ocorrerãoinevitáveis fissuras e as peças estarão perdidas.

Essas tensões internas não podem ser totalmente evitadas; podem, contudo, serreduzidas, mediante vários artifícios práticos e de vários tratamentos térmicos.

Os inconvenientes apontados, excessiva dureza da martensita e estado de tensõesinternas, são atenuados pelo reaquecimento do aço temperado a temperaturas

determinadas. É óbvio que tal operação torna-se inócua se as tensões internasoriginadas tiverem sido de tal vulto de modo a provocar a inutilização das peças. A operação mencionada constitui o revenido.

No resfriamento do aço estão envolvidos dois fenômenos: a transformaçãocristalina e a difusão atômica.

A transformação cristalina é rápida. A difusão, no entanto, é mais lenta e pode serdificultada por um resfriamento muito rápido ou e pela introdução de elementos de liga.Resfriamentos lentos tendem a formar estruturas mais estáveis e resfriamentos rápidostendem a formar estruturas metaestáveis.

O resfriamento rápido pode evitar a formação de uma determinada fase como no

caso do resfriamento do alumínio após a solubilização (têmpera de retenção), ou paraque ocorra transformação cristalina sem difusão (transformação martensítica).



193



A reação martensítica pode ocorrer em outras ligas metálicas além das ligas deferro, como por exemplo, em ligas de cobre-berílio.

8. 4. 1. Curvas TTT para Tratamentos Térmicos Isotérmicos

As curvas TTT isotérmicas são diagramas que relacionam o tempo e atemperatura necessários para uma transformação isotérmica. No caso do aço, onde aaustenita é instável abaixo da temperatura crítica, é necessário saber quanto tempolevará para ela se transformar a uma temperatura subcrítica específica, quanto tempolevará para a transformação se completar, e qual a natureza do produto detransformação.

Como a ferrita, a perlita e a bainita superior nucleiam nas bordas dos grãos deaustenita, o número de núcleos desses constituintes que se formam por segundo é

proporcional ao tamanho do grão. Assim, um aço de grão fino a uma dada temperaturapara uma fração qualquer de austenita a transformação tomará menos tempo que de umaço de grão grosso. Portanto, um tamanho de grão fino deslocará a curva TTT para aesquerda.

6. 4. 2. Curvas TTT de Resfriamento Contínuo

Estas curvas são as que na prática são utilizadas. Estas curvas são mais largas,pois na prática, os aços ficam mais tempo em alta temperatura, ao contrário do que érepresentando nas curvas de resfriamento isotérmico, onde o resfriamento épraticamente instantâneo até a temperatura desejada.

Figura 18: Curva T.T.T. aço SAE 1045.



194



6. 4. 3. Fatores que Influem na Têmpera

A qualidade da têmpera dependerá de fatores diretamente relacionados com:

a) Qualidade do aço.b) Condições do meio de resfriamento (agitação, temperatura, etc.)c) Temperaturas praticadas no processo.d) Das condições da peça (forma, geometria, distribuição dentro do forno, etc).

6. 4. 4. Curvas de Resfriamento

A capacidade de resfriamento varia de um meio para outro, podendo serextremamente rápido, como ocorre em salmoura, ou muito lento (resfriamento ao ar). Noentanto, a velocidade de resfriamento varia durante o resfriamento.

Esta variação de velocidade pode ser detectada através de registradores quemonitoram o resfriamento de um corpo-de-prova instrumentado com um termopar.

O ensaio pode ser feito de várias formas, dependo da situação. No caso depolímeros, onde a concentração desses em água pode ser variada, as curvas sãoconstruídas variando a concentração, variando a temperatura do meio e variando avelocidade de agitação.

6. 4. 5. Estágios de Resfriamento

Os fenômenos que ocorrem durante o resfriamento ocorrem em estágios,

dependendo da temperatura na qual a peça se encontra durante o resfriamento. Osestágios são os seguintes:

Estágio A

Ocorre a formação de um invólucro de vapor sobre a superfície da peça (VaporBlanked ou Fenômeno de Leindenfrist). Uma camada de vapor estável se formaem torno da peça atuando como isolante térmico, tornando o resfriamento lentonesse estágio. É a fase de borbulhamento (calefação) que precede a formação doinvólucro de vapor. É muito rápida (0,1s) e não tem importância na avaliação datransferência de calor.

. Estágio B

Este estágio inicia quando o material atinge a temperatura onde o invólucro devapor não é mais estável. O meio tende a molhar a superfície e uma violentaebulição tem lugar. Neste estágio o resfriamento é muito rápido e se dá portransporte de vapor.

Estágio C

Começa quando a temperatura na superfície da peças atinge o ponto de ebuliçãodo líquido de têmpera. A ebulição cessa e tem lugar um resfriamento porcondução e convecção. A velocidade neste estágio é muito baixa.



195



(s)

Figura 19: Resfriamento durante a têmpera

6. 4. 6. Propriedades do Meio de Têmpera

Quando o aço está sendo temperado, ocorrem dois fenômenos: Contração rápidade volume gerando tensões residuais e aumento de volume devido à transformação daaustenita em martensita.

Figura 20: variação de volume da transformação austenita x martensita.

Pela figura 18 observa-se que ao resfriar até a Ms ocorre contração, e após, umaumento de volume. Quanto mais rápido for o resfriamento, maior o gradiente térmico, econseqüentemente, maior a tensão residual gerada.

A austenita absorve e redistribui essas tensões facilmente, enquanto a martensitanão.

Então, o meio de têmpera ideal é aquele que apresenta alta velocidade deresfriamento nos estágios até próximo a Ms (estágios A e B), e uma baixa velocidadedurante a transformação da austenita em martensita (estágio C).

A água e soluções salinas apresentam altas velocidades de resfriamento tanto noinício quanto no fim, por isso favorecem a ocorrência de deformações e trincas.

Borbulhamento

Convecção

A

B

CInvólucro

DeVapor



196



Já no óleo mineral convencional a transição para o estágio C é mais gradual, epor esta razão estes óleos causam poucas deformações.

6. 4. 7. Temperabilidade

Temperabilidade é a propriedade que avalia a capacidade maior ou menor doaço adquirir dureza em um meio de resfriamento, e ela determina a profundidade e adistribuição de dureza na peça após a têmpera.

Sua expressão quantitativa depende do método de ensaio utilizado e estávinculada à severidade do meio de têmpera. As faixas de temperabilidade de Jominysão as formas mais utilizadas para expressar a temperabilidade dos aços.

6. 4. 7. 1. Faixas de Temperabilidade

As faixas de temperabilidade representam o resultado de numerosos ensaios

realizados pelo método de Jominy. A norma ABNT MB-381 descreve este ensaio efornece todos os elementos necessários para a sua execução.

6. 4. 7. 2. O Ensaio de Jominy

O ensaio Jominy permite avaliar a profundidade de têmpera, relacionando-a comas com os gráficos de Lamont, permitindo estimar a profundidade de têmpera em seçõesregulares.

Figura 20: Dispositivo para o ensaio de Jominy.

Figura 21: Corpo-de-prova Jominy (Dimensões em mm).

100

30 25

97

CONDIÇÕES DO ENSAIO

a) Preparação do Corpo-de-prova - Normalizado a 65ºC acima da

curva Ac.3- Usinagem (deixá-lo nas dimensões de

ensaio).-

b) Condições de ensaio- Aquecimento (25ºC acima de Ac3 por 30minutos). - Colocação no dispositivo (máximo 5 s).

- Distancia do CP até a água: 12,7mm

- Temperatura da água: 25 5ºC.



197



Obs; Após a têmpera o corpo-de-prova deverá ser usinado para se obter duas facesparalelas, numa profundidade em torno de 0,4 mm. As medidas de dureza deverãoser feitas em intervalos de 1/16” a partir da ponta.

6. 4. 8. Severidade do Meio de Têmpera

A severidade de têmpera é um índice que mede a influência dos meios detêmpera sobre a profundidade e a distribuição de dureza em peças temperadassubmetidas a diferentes condições de agitação.

Um meio com grande severidade tenderá a produzir dureza mais elevada,mas favorece por outro lado à ocorrência de trincas e deformações. Um meio de têmperade pouca severidade produzirá um efeito inverso.

Tabela7: Severidade de Têmpera

AgitaçãoSeveridade de têm era H

Ar Óleo Á ua Salmoura

Nenhuma 0,02 0,25-0,30 0,9-1,0 2,0

Fraca - 0,30-0,35 1,0-1,1 2,0-2,2

Moderada - 0 35-0 40 1 2-1 3 -

Boa - 0 40-0 50 1 4-1 5 -

Forte - 0,50-0,80 1,6-2,0 -

Violenta 0 08 0 80-1 10 4 0 5 0

6. 4. 9. Distribuição da Dureza em Peças Temperadas de Geometria Simples

Para analisar a distribuição de dureza em peças temperadas de geometriasimples são utilizados os Gráficos de Lamount. Estes gráficos correlacionam acomposição química, a massa e o meio de resfriamento.

6. 4. 9. 1. Gráficos de Lamount

Os gráficos de Lamount relacionam o diâmetro da barra, o índice deseveridade de têmpera e a distância Jominy e a profundidade.



198





199



Figura 22: Curvas Jominy para vários aços.

Figura 23: gráfico de lamont – núcleo da barra.



200



Figura 24: gráfico de lamont a meio raio.

Exemplo:

Um eixo de aço, ABNT 6150 (DIN 50CrV4), com Ø 50,0mm deverá apresentardureza mínima de 30 HRC a 25 mm de profundidade quando temperado em óleo.Deseja-se saber se, utilizando óleo com agitação moderada a condição especificada serásatisfeita.

- O gráfico de Lamont aplicável será r/R=0,5

- Para óleo com agitação moderada teremos o valor de H de 0,35 a 0,40.

Com esses dados, vamos ao gráfico onde r / R= 0,5 .

Para o diâmetro de 50mm traçamos uma horizontal até encontrar a curva 0,35. Apartir desse ponto traçamos uma vertical até encontrar o valor da distância temperada.Vamos encontrar o valor de 11/16 avos.

A curva Jominy do aço SAE 6150 pode ser encontrada nos manuais dosfabricantes e em bibliografia técnica.



201



Figura 25: Curva Jominy do aço SAE 6150

Levando este valor para a curva Jominy, verificamos, que para 11/16 avos adureza ficará dentro da faixa de 39 a 58 HRC. Logo, a condição imposta estarásatisfeita.

6. 4. 10. Fatores que Afetam a Temperabilidade

Existem fatores que podem afetam a temperabilidade de um aço. Atemperabilidade aumenta com a adição de elementos de liga, com o aumento dotamanho do grão austenítico e com a homogeneidade da austenita.

O grão austenítico fino favorece a difusão do carbono pois diminui as distânciasentre o centro do grão e a periferia, ocorrendo o contrário quando o tamanho do grão égrande.

Da mesma forma, os elementos dissolvidos dificultam a difusão do carbono,favorecendo a reação martensítica, onde ocorre somente a deformação do retículocristalino, sem haver difusão.

6. 4. 11. Falhas de Processo na Têmpera

O resultado d após a têmpera do aço poderá ser negativo se essa não forconduzida em temperaturas adequadas, se o meio de resfriamento não resfriar navelocidade desejada ou se a temperabilidade do material estiver comprometida pelosfatores mencionados anteriormente.

a) Temperatura na austenitização Incorreta: se a temperatura for elevada,promoverá o crescimento do grão austenítico, formando martensita grosseira,diminuindo a tenacidade do material. Se o aquecimento for insuficiente, emaços hipoeutetóides, estando entre A3 e A1, a microestrutura apresentaráferrita após a têmpera, baixando a dureza.

b) Velocidade de resfriamento Inadequada: Quanto maior a velocidade deresfriamento, maior a possibilidade de deformação e trinca em aços cujatemperabilidade é elevada. Por outro lado, se a velocidade for muito baixa,teremos a formação de estruturas mais moles.



202



6. 4. 12. Falhas Estruturais

Existem falhas que são resultado do processo conduzido de forma incorreta, queestão relacionadas a atmosfera do forno. As principais são:

a) Descarbonetação: É a perda de carbono do aço para a atmosfera do forno. Ocarbono superficial do aço reage com outros agentes promovendo a retiradade carbono do aço na forma de monóxido de carbono.

COOC 2 2

O vapor de água existente na atmosfera do forno em temperaturas acimade 700ºC reage com o carbono do aço formando metano, conforme mostra aseguinte reação:

4CH 22H C

b) Formação de Carepas: Se a atmosfera for rica em oxigênio, o processo dedescarbonetação será sucedido pela oxidação do ferro:

2FeO20 Fe 2

c) Austenita Retida: Em algumas situações, parte da austenita não setransforma em martensita, permanecendo estável no aço à temperatura ambiente. Ocorreuma diminuição da dureza esperada.

Figura 26: Aço SAE 4340 austenitizado com excesso de temperatura.

Martensita grosseira e austenita retida - Aumento: 1000 x.Ataque: Nital 3%.

As razões para o aparecimento da austenita retida podem estar relacionados àcomposição química do aço (alto carbono e elementos de liga), a temperatura do meiode têmpera, a velocidade de resfriamento até Ms e a temperatura de austenitizaçãomuito elevada.

Para aços de baixa liga e médio a alto carbono, Koistinen e Marburgerdesenvolveram o seguinte modelo matemático:

%Austenita Retida = exp. [-1,10 x 10-2(Ms-Tq)Ms= Temperatura de início de formação da martensitaTq= a temperatura mais baixa atingida na têmpera.

Ms= 500ºC - 33C - 34Mn - 35V - 20 Cr - 17Ni - 11 Mo - 10Cu – 5W +15Co + 30 Al



203



7. REVENIMENTO

É o tratamento térmico que normalmente sempre acompanha a têmpera, poiselimina a maioria dos inconvenientes produzidos por esta; Além de aliviar ou remover astensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material, aumentando aductibilidade e a resistência ao choque.

Deve-se, pois, revenir as peças logo após a têmpera, para diminuir a perda depeças por ruptura, a qual pode ocorrerse aguardar muito tempo para realizar orevenimento.

A martensita primária formada após a têmpera apresenta tensões internaselevadas, por isso é dura e frágil (baixa tenacidade). Para diminuir essa fragilidade damartensita, realiza-se o tratamento térmico de revenimento.

Neste processo, o aço é aquecido a uma determinada temperatura abaixo se A1por um determinado tempo, O resultado é o abaixamento de dureza e o conseqüenteaumento de tenacidade.

A martensita revenida é mais tenaz que a martensita primária. E por essa razão,todo o aço temperado deverá ser revenido. A dureza após o revenimento dependerá daespecificação exigida. Quanto mais alta a temperatura de revenimento, maior será aqueda de dureza.

7. 1. Etapas do Revenimento

Dependendo da temperatura, o revenimento apresentará aspectos diferentes.Ocorrendo o seguinte:

1) Revenimento Abaixo de 120ºC : A martensita, saturada de carbono, começaa liberar esse elemento na forma de carbonetos complexos (Fe12C5)progressivamente. Ocorre somente um distencionamento da martensita, e nãoum revenimento propriamente dito. O aspecto metalográfico praticamente nãomuda.

2) Revenimento entre 120 e 250ºC: Esta é a zona para o revenimento de altaresistência ao corte.

A medida que a temperatura aumenta as tensões internas diminuem o quemelhora a resistencia ao choque, começa o apareciemnto de microestruturade martensita revenida e a dureza em aços comuns é da ordem de 65 – 60HRc.

3) Revenimento entre 250 a 300ºC: Zona de resistencia ao choque e menordureza.

As tensões internas diminuem mais ainda pois nesta fase começa a surgiruma microestrutura mesclada de martensita e troostita, a dureza cai para 50 – 60 HRc.

4) Revenimento entre 300 a 400ºC: Zona de melhor resistencia ao choque.

A recuperação da microestrutura metaestável promove elevada resistência aochoque e impactos, pois, com dureza na ordem de 35- 50 HRc, é otima paraaplicações de matrizes de estampos, punções, molas, etc. A microestrutura detrostita com sorbita, apresenta ao microscópio a revelação mais escura.

5) Revenimento entre 400 a 600ºC: Zona de aumento significativo deductubilidade e menor dureza.



204



Nesta faixa de temperatura ocorre a diminuição rápida da dureza, pois, amicroestrutura predominante de sorbita com esferoidita deixa o material comtensões internas bem diminuidas. A dureza situa-se entre 15 a 35 HRc.

6) Revenimento entre 600 a 700ºC: Praticamente só existe esferoidita, pois, adureza é comparada a de um material nornalizado.

A temperatura de revenimento pode ser escohida de acordo com a combinaçãodas propriedades mecanicas que se deseja de aço temperado.

7. 2. Curvas de Revenimento

Para cada aço existe uma curva revenimento. Os fabricantes costumam mostrarestas curvas em seus catálogos.

7. 3. Efeito do Tempo no Revenimento

Na operação de revenido importa não só a temperatura do tratamento comoigualmente o tempo de permanência à temperatura considerada. A influência maiorverifica-se no início, diminuindo com intervalos de tempo maiores.

O revenimento é um processo que ocorre por difusão e portanto o tempo tempapel importante. Dependendo da massa da peça, uma vez fixada a temperatura derevenimento, o tempo terá que ser suficiente para que a peça seja revenidaadequadamente.

Na prática podemos utilizar o seguinte critério : Tempo mínimo de 2 horas para

seções de até uma polegada. Para cada polegada a mais acrescenta-se 1 hora. Parapeças de pequena espessura (menores que 1 polega), desde que o equipamento e aquantidade de peças permitam, este tempo de revenido pode baixar para 1 hora emtemperatura.

7. 4. Fragilidade de Revenido

Ocorre em determinados tipos de aços quando são revenidos entre 375 a 475ºC, ouquando resfriados lentamente nessa faixa de temperatura.

A fragilidade ocorre mais rapidamente na faixa de 470 a 475ºC e só e detectávelpelo ensaio de impacto.

7. 4. 1. Aços suscetíveis a Fragilidade de Revenido

Aços de baixa liga e aços que contêm quantidades apreciáveis de manganês,níquel, cromo, antimônio, fósforo e enxofre, são os mais suscetíveis a fragilidade derevenido, sendo o antimônio o mais nocivo de todos..

Os aços que contêm cromo e níquel são os mais suscetíveis, e para minimizaresse efeito, o teor de fósforo deverá ser mais baixo que os teores dos aços comuns

(Abaixo de 0,02%).



205



ºCFigura 27: Curvas de revenimento do aço 52100. Aquecimento a 830ºC com

resfriamento em óleo (curva contínua) a aquecimento a 800ºC com resfriamento emágua.

Figura 28: Curvas de Revenimento(esquemático).A: Martensita revenida. B: Precipitação deCarbonetos. C:Transformação da austenita retidaem martensita primária.

D: Revenimento de aços rápidos e aços de altaliga (Ex.: H-13)



206



8. TRATAMENTOS TÉRMICOS ISOTÉRMICOS

São os tratamentos térmicos caracterizados por apresentarem no resfriamentouma interrupção na sua trajetória e, isto caracteriza um passo isotérmico. O material ficapor um determinado tempo em uma temperatura constante.

8.1 MARTÊMPERA

No resfriamento durante a têmpera, as tensões residuais resultantes da contraçãode volume serão tanto maiores quanto maior for a diferença de temperatura entre onúcleo e a superfície da peça.

A parte externa contrai rapidamente, enquanto o núcleo, que está a umatemperatura maior contrai menos. O resultado é que a casca externa comprime o núcleo,que por sua vez traciona a casca externa, empurrando essa de volta.

Figura 30: Esquema das tensões atuando em um corpo cilíndrico maciço.

Quando a temperatura cai abaixo da Ms ocorre o inverso, na transformação daaustenita em martensita ocorre um aumento de volume, aumentando as tensõescompressivas sobre o núcleo que está quente, ampliando o efeito trativo do núcleo sobrea casca externa.

Para minimizar esses gradientes resfria-se rapidamente a temperatura até umpouco acima de Ms, permanecendo nessa temperatura o tempo suficiente para quetemperatura do núcleo fique mais próxima da temperatura do núcleo. Com isso, ogradiente térmico e a conseqüente variação de volume, ocorrerão quando o aço aindaestá austenítico.

O aço é austemperado mediante a seguinte seqüência de operações e transformações: aquecimento a uma temperatura dentro da faixa austenítica, geralmente 790° a

915°C;

resfriamento num banho (banho de martêmpera) mantido a uma temperaturaconstante, geralmente entre 350° e 450°C;

permanência no banho a essa temperatura, para ter-se, homogenização datemperatura em toda a secção da peça, seguido de resfriamento;



207



resfriamento até a temperatura ambiente, em ar tranqüilo ou banho de sal.

Figura 30: Esquema do processo de martêmpera

A austenita consegue absorver as tensões residuais geradas pelo resfriamentofazendo com que, ao transformá-la em martensita, estas tensões estejam bemdistribuídas. Com isso, as deformações e as possíveis trincas severamente diminuídas.

8. 1.1 Limitações do Processo

A martêmpera só é possível se a curva TTT do aço permitir um tempo suficiente

para que o resfriamento ocorra até a temperatura abaixo do cotovelo da curva, sem quese forme outra fase.



208



9. AUSTÊMPERA

Esse tratamento tem substituído, em diversas aplicações a têmpera e o revenido.Baseia-se no conhecimento das curvas em C e aproveita as transformações da austenitaque podem ocorrer a temperatura constante. Por esse motivo, a austêmpera éconsiderada um tratamento isotérmico.

O constituinte que se origina na austêmpera é a bainita, que, como se viu, tempropriedades idênticas, senão mesmo superiores, às das estruturas martensíticasrevenidas. Como nesse tratamento evita-se a formação direta da martensita, eliminam-seos inconvenientes que essa estrutura apresenta quando obtida pelo revenido posterior.O aço é austemperado mediante a seguinte seqüência de operações e transformações:

aquecimento a uma temperatura dentro da faixa austenítica, geralmente 790° a915°C;

resfriamento num banho mantido a uma temperatura constante, geralmenteentre 260° e 400°C;

permanência no banho a essa temperatura, para ter-se, isotermicamente, atransformação da austenita em bainita;

resfriamento até a temperatura ambiente, em ar tranqüilo ou banho de sal.

O tratamento está representado esquematicamente em diagrama de transformaçãoisotérmica da figura 31.

A finalidade da austêmpera é obter uma estrutura bainítica, que é mais tenaz quea martensita, não sendo necessário realizar o revenimento.

Outra grande vantagem é que as deformações são bem menores que asdeformações que ocorrem na têmpera ou martêmpera.

Esse processo é realizado da seguinte forma:

1º) Aquecimento até a temperatura de austenitização.

2º) Resfriamento rápido até Tº > Ms.

3º) Manter o processo isotérmico até a formação da bainita.

A temperatura de formação da bainita é baixada por diversos elementos, mas ocarbono é o que o que tem a maior influência. A temperatura Ms pode ser calculada pelaseguinte expressão:

Ms(° C) = 830-270C -90Mn-37Ni-70Cr-83Mo

Em aços de baixo carbono, para se obter bainita, adiciona-se 0,002% em peso deboro e 0,5% de molibdênio. O molibdênio favorece a formação da bainita enquanto o bororetarda a formação da ferrita.



209



Figura 31: Esquema do processo de austêmpera



210



10. TÊMPERA SUPERFICIAL E/OU LOCALIZADA

Existem situações nas quais queremos endurecer apenas superficialmente, mantendo o

núcleo da peça com a dureza original, ou com dureza mais baixa. Os objetivos desse tipode tratamento são:

1) Aumentar dureza superficial aumentando resistência ao desgaste porfricção ou por abrasão.

2) Aumentar a resistência mecânica mantendo o núcleo da peça tenaz.

3) Aumentar a resistência à fadiga.

O endurecimento superficial pode ser realizado de duas formas:

1) Aquecimento superficial seguido de têmpera.

2) Tratamento termoquímico seguido ou não de têmpera.

No primeiro caso, onde aquecimento é realizado superficialmente. Os processosmais difundidos e utilizados são:

a) Têmpera por Indução.

b) Têmpera por chama.Os tratamentos termoquímicos mais comuns são:

a) Cementação

b) Carbonitretação.

c) Nitretação.

10. 1. Têmpera por Indução

Peça está envolvida ou próxima a um condutor por onde passa uma correntealternada gerando um campo magnético variável em torno do condutor que irá gerar umcampo magnético de sentido contrário na peça, que irá induzir uma corrente elétrica comsentido contrário à corrente do indutor, na peça.

Por efeito joule peça irá aquecer e a profundidade de aquecimento irá dependerda freqüência da corrente gerada no condutor.

Figura 32: Representação gráfica doaquecimento por indução.



211



Obs.: O condutor que gera a corrente na peça é chamado de indutor ou bobina deindução.

A capacidade de aquecimento dependerá da potência da fonte geradora. Apotência necessária ao aquecimento será definida pela área aquecida, ou seja, peladensidade de potência (potência por unidade de área).

Figura 33: Vários tipos de indutores.

10. 2. Têmpera por Chama

A têmpera por chama envolve o aquecimento direto através de um maçarico oxi-acetilênico, a partir de uma posição estabelecida em desenho, onde o maçarico éposicionado em uma determinada área que será aquecida. A profundidade doaquecimento é controlada pelo projeto do maçarico, pelo tempo de aquecimento e pelatemperabilidade do material. Como na indução, o aquecimento poderá ser estacionárioou contínuo.

10. 2. 1. Vantagens do Processo

Os benefícios ou as vantagens da têmpera por chama são os seguintes:

- Aumenta a resistência à fadiga pelo desenvolvimento de tensõesresiduais compressivas na superfície da peça.

- As deformações são minimizadas, obtendo-se elevadas durezassuperficiais, maiores que aquelas obtidas em têmpera total.

- Dependendo do processo, camadas de 0,5 a 10,0mm podem serobtidas.

- Oferece opções de tratamento térmico em uma grande variedade

decomponentes.- Os resultados podem ser reproduzidos fielmente, automatizando o

processo.

10. 2. 2. Limitações do Processo

As limitações do processo estão ligadas a fatores como: formas irregulares quenão permitem desenvolver um perfil favorável do maçarico. Também influem ascaracterísticas do equipamento.



212



10. 2. 3. Tipos de Aços que Podem ser Temperados por Chama

Tanta têmpera por indução quanto a têmpera por chama são aplicadas numagrande variedade de aços e ferros fundidos.

Com aços de alto carbono há o risco de deformações, exigindo um controlemuito rigoroso do processo.

Tabela 08 : Dureza superficial que pode ser obtida na têmpera por chama

HRC

70 x

60 x

50 x

40 x

30 x

20 X10

0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

Teor de carbono (%)

A têmpera superficial também poderá ser utilizado em peças cementadas não-temperadas em aços de baixo carbono. Para isso, basta cementar e temperar porindução ou chama.

Profundidade de Camada

Figura 34: Perfil de dureza típico de um aço de médio carbono temperado por chama.

HRC



213



11. TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Os tratamentos termoquímicos são aqueles onde um novo elemento químico é

adicionado ao aço durante o tratamento térmico.Os tratamentos termoquímicos mais comuns são:

a) Cementação: Adição de carbono.b) Carbonitretação: Adição de carbono e adição de nitrogênio.c) Nitretação; Adição de nitrogênio.

11. 1. Cementação

Cementação é a introdução de carbono ao aço, formando uma camada superficialde martensita de alto carbono após a têmpera, resultando em durezas superficiais

elevadas (acima de 60HRC).Os aços classificados como aços para cementação possuem teor de carbono em

torno de 0,2%, e por isso, o núcleo da peça permanecerá com dureza mais baixa que asuperfície e, portanto, tenaz.

Os parâmetros controlados no processo são:

d) Temperatura.e) Tempo.f) Potencial de carbono (Teor de carbono da atmosfera).

A difusão do carbono para dentro do aço será tanto mais rápida quanto maior for atemperatura. Nos processos industriais a cementação é realizada normalmente nafaixa de 880 e 950ºC. O tempo de cementação será definido pela profundidade decamada necessária.

O potencial de carbono estabelecido para a atmosfera gira em torno de 0,8%C.

Figura 35: Dente uma engrenagem cementada em corte transversal. Aumento: 6X. Ataque: Nital 3%.



214



11. 1. 1. Processos de Cementação

a) Cementação em Caixa

Utiliza o monóxido de carbono gerado pela queima incipiente de um material rico

em carbono. O processo é realizado em caixas contendo as peças imersas nomaterial cementante. Estas caixas são lacradas e aquecidas até a temperatura decementação. É o processo industrialmente mais antigo, e atualmente é poucoutilizado.

b) Cementação em Banhos de Sal

É realizada em fornos de cadinho contendo sais de cianetos de sódio e potássio. A reação principal do processo é a transformação do cianeto em cianato, sendoeste a fonte de carbono:

C CN 2 Na2NaCN 2 (1)

2NaNCOCO NaCN 22 (2)

Ou então,

CO NaNCO CO NaCN 2 (3)

a reação do ferro com o carbono e o monóxido de carbono será:

2COC 3 Fe2CO FE 2 (4)

C 3 FeC Fe 3 (5)

A vantagem do banho de sal é a versatilidade, pois permite cementar peçasvariadas juntas no forno, mesmo com camadas diferentes. camadas diferentes aomesmo tempo.

A desvantagem é que os cianetos são venenosos e altamente tóxicos, e porisso extremamente poluentes.

c) Cementação Gasosa

A cementação é realizada em um forno com atmosfera formada pela queimade um fonte um hidrocarboneto ou um álccol ( Metanol, gás propano,etc)

O agente cementante é o CO formado na queima incompleta do hidrocarbonetoou álcool.O processo se baseia no controle das seguintes reações:

2CO(C)CO 2 (6)

2 H

2COO

2 H CO (7)



215



Estas reações são reversíveis. As quantidades de CO e CO2 para manter areações (6) e (7) em equilíbrio para se obter uma determinada concentração decarbono pode ser calculada a partir de dados termodinâmicos.

d) Cementação à Vácuo

É realizada em fornos a vácuo utilizando-se que também utilizam gases dehidrocarbonetos como fonte de carbono, tendo o nitrogênio como gás portante.

A principal vantagem da cementação a vácuo é que os fornos operam emtemperaturas mais elevadas que as utilizadas nos processos anteriores,permitindo assim uma diminuição dos tempos de cementação.

e) Cementação Em Leito FluidizadoÉ uma alternativa para os processos realizados em banhos de sais de

cianeto. Em vez do sal, utiliza-se um leito fluidizado composto de partículasinertes, normalmente alumina. As peças ficam imersas neste leito que está natemperatura de cementação. Através desse leito circula um gás rico em carbonoque irá fornecer o carbono necessário para cementar.

f ) Cementação a Plasma

O fator principal que limita a velocidade da cementação é a capacidade dese gerar carbono ativo para levá-lo até a superfície do aço, aumentando a taxa decarbono que penetra no aço.

Na cementação a plasma a quantidade de carbono ativo gerado é maior

pois não é necessário passar por todas as etapas que ocorrem na dissociação dogás em pressão atmosférica. Deste modo podemos obter carbono diretamente dogás ionizado.

Na dissociação do metano realizada em atmosfera normal temos:

CH4(gás) CH4 adsorvido (a)CH4 (ad.) CH3 (ad.) + H (ad. ) (b)CH3 (ad) CH2 (ad.) + H ( ad. ) (c)CH2(ad) CH (ad.) + H ( ad. ) (d)CH (ad) C (ad.) + H (ad) (e)CH (ad) C (dissolvido)

A reação (d) é o limite. A formação de carbono ativo para a adsorção nãoacontece antes da reação (e).

No processo a plasma o carbono ativo é gerado diretamente do metanosem passar pelas fases intermediárias.

As vantagens deste processo incluem menores tempos de cementação,maior precisão e repetitibilidade, com redução da oxidação superficial para níveisextremamente baixos.

O processo é realizado em uma câmara de vácuo. A peça é o catodo e asparedes do forno são o anodo.



216



11. 1. 2. Determinação da Profundidade de Camada Cementada

A profundidade da camada poderá ser estimada pela utilizando aexpressão:

t k C .

A constante k dependerá da temperatura. Portanto, quanto maior atemperatura maior será o valor da constante. Como a camada varia com a raiz

quadrada do tempo, à medida que o processo vai acontecendo, a velocidade depenetração do carbono vai diminuindo.

900ºC

C = PROFUNDIDADE DA CAMADAK = COSTANTE DE TEMPERATURAt = TEMPO



217



Figura 36: Ciclos de cementação x Espessura da camada em mm.

930ºC

1010ºC



218



11. 1. 3. Aços para Cementação

Os aços para cementação são aços de baixo carbono de baixa liga ou nãoligados. Os tipos mais freqüentes estão mostrados na tabela a seguir.

Tabela 09 : Aços para Cementação.

AÇO % C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo

SAE 1018 0,15-0,20 0,60-0,90 0,15-0,35 - - -

SAE 1022 0,18-0,23 0,70-1,00 0,15-0,35 - - -

SAE 9315 0,13-0,18 0,45-0,65 0,15-0,35 1,00-1,40 3,00-3,50 0,08-0,15

SAE 4320 0,17-0,22 0,45-0,65 0,15-0,35 0,40-0,60 1,65-2,00 0,20-0,30

SAE 8620 0,18-0,23 0,70-0,90 0,15-0,35 0,40-0,60 0,40-0,70 0,15-0,25

SAE 5115 0,13-0,18 0,70-0,90 0,15-0,35 0,70-0,90 - -

SAE 5120 0,17-0,22 0,70-0,90 0,15-0,35 0,70-0,90 - -

DIN16MnCr5 0,14-0,19 1,00-1,30 0,15-0,35 0,80-1,10 - -

DIN20MnCr5 0,17-0,22 1,10-1,40 0,15-0,35 1,00-1,30 - -

DIN 17 Cr 3 0,14 –0,20 0,40-0,70

≤ 0, 40 0,60-0,90

- -

11. 1. 4. Vantagens da Cementação

O processo de cementação aumenta a dureza superficial e introduz tensõescompressivas superficiais. Com isso, as propriedades mecânicas aumentadas são:

Resistência ao desgaste por atrito (elevada dureza superficial).

Aumento da resistência à fadiga (tensões compressivas superficiais).

Peça continua tenaz (núcleo com dureza mais baixa).

A cementação, portanto, é muito útil quando o componente mecânico é solicitado

por abrasão, por fricção, rolamento entre superfícies metálicas, e também em situaçõesonde os esforços de torção e flexão atuam juntamente com esforços de desgaste.

Os exemplos mais freqüentes de peças cementadas são: engrenagens, coroas,pinhões, cremalheiras virabrequins. Pode ser aplicada em aços de médio carbono emsituações onde se deseja dureza superficial elevada para diminuir o desgaste por atrito.



219



11. 1. 5. Falhas Decorrentes do Processo de Cementação

a) Trincas Superficiais

Se durante a cementação, o potencial de carbono atingir valoressuperiores àqueles que são solúveis na austenita na temperatura do processo,haverá formação de cementita secundária na camada, que ira precipitar emcontornos de grão.

Figura 37: Aço SAE 1010 cementado com excesso de carbono e resfriado no forno.Presença de rede de cementita junto com perlita na superfície. Aumento 500x. Ataque:Nital 3%

B ) Oxidação Superficial

Peças cementadas em atmosfera gasosa podem ser oxidadas pelooxigênio da decomposição da água gerada na combustão. Este pode reagir comcertos elementos de liga como cromo e manganês e silício formando óxidos. Estaoxidação Pode atingir de 10 a 20m de profundidade em uma camada de 1,0mmde profundidade. Na têmpera direta, a influência dessa oxidação não ésignificante. Porem, em peças reaquecidas, esta oxidação pode dar origem a umafratura intergranular que poderá fazer a peça trincar por fadiga quando emserviço.



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Figura 38: Óxidos na superfície de um aço 20MnCr5 contendo 0,0015B. Aumento 1000xem Microscópio eletrônico de varredura.(Ref. 10).

c) Estruturas Mistas na Camada Cementada

Após a têmpera, a microestrutura da camada deverá ser totalmente

martensítica. Quando ocorrem estruturas mistas a causa principal é o baixo teorde carbono na superfície.

d) Austenita Retida: Descartados os fatores velocidade de resfriamento etemperaturas de processo, as causas para esse problema poderão estarrelacionados ao teor de austenita retida, cujo efeito é o abaixamento da dureza.

e) Pontos Moles: Mesmo cementados, aços cuja temperabilidade ébaixa, como por exemplo, em um aço SAE 1020 onde o manganês é muitobaixo e não existem elementos que contribuam com a temperabilidade, é

comum o fenômeno, mesmo temperando esses aços em água.

f) Baixa Dureza de Núcleo: Em processos de cementação, onde atemperatura de têmpera é baixa, o núcleo que tem baixo carbono, poderáapresentar uma dureza muito baixa.

g) Excesso de dureza no Núcleo: Descartados os aspectos referentes aomaterial (matéria-prima trocada), o excesso de dureza no núcleo pode estarrelacionado ao excesso de camada. Peças delgadas, peças com cantos vivos(arestas, filetes, etc) poderão apresentar cementação em quase toda a seção. Por

exemplo, se a camada especificada é 2,0mm e a espessura for 4,0mm, acementação ocorrerá em duas frentes que irão se encontrar.

11. 2. Carbonitretação

Este processo incorpora além do carbono, uma quantidade de nitrogênio. Paraisso, além de uma fonte de carbono, deverá existir uma fonte de nitrogênio.

Nos processos gasosos usuais, a fonte de nitrogênio é a amônia e a fonte decarbono é a mesma empregada na cementação.

Em banhos de sais, a carbonitretação é realizada com os mesmos sais dacementação, porém os teores de cianetos são bem mais elevados.

Os efeitos sobre as propriedades mecânicas da carbonitretação são praticamenteos mesmos da cementação. Porém, as temperaturas que são praticas são mais baixasque as praticadas na cementação e por conseqüência as camadas são mais finas.

Os processos são efetuados normalmente em uma temperatura próxima a 860ºCe as camadas carbonitretadas não ultrapassam a 0,7mm, porque acima disso, os temposficam muito extensos.

A grande vantagem da carbonitretação sobre a cementação é que asdeformações são menores e torna possível a obtenção de durezas elevadas mesmo emaços de temperabilidade muito baixa. Por isso, ela é aplicada quando se quer camadasfinas e com baixa deformação após a têmpera.



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Portanto, a carbonitretação se aplica principalmente em peças delgadas, nasquais as camadas têm que ser finas.

Também, é de grande utilidade para aumentar a resistência ao desgaste de peçasestampadas ou que sofrem processos de dobramento a frio. Estas peças são fabricadascom aços de alta estampabilidade, que são aços acalmados e desoxidados comalumínio, cujos teores de C(<0,05%) e de Mn(<0,4%) são desfavoráveis ao processo decementação.

11.3. Nitretação

A nitretação é a introdução de nitrogênio ao aço para formar nitretos. Pode serrealizada em banho de sais, em atmosferas gasosa, ou sob plasma. As temperaturas dosprocessos convencionais (sal e gás) se situam entre 500 e 600ºC. Quando a nitretação érealizadas ob plasma a temperatura poderá ser mais baixa.

Na nitretação, o a formação de uma camada de nitretos de ferro torna a superfíciedo material muito dura. Isso traz um aumento considerável da resistência ao desgaste.

Outra grande vantagem que traz a camada nitretada é a diminuição do coeficientede atrito entre a peça nitretada e o material ao qual a peça se encontra em contato. Anitretação produz um efeito lubrificante.

Em aços de baixa liga temos um aumento da resistência a corrosão, e, em açosinoxidáveis, a nitretação em banho de sais, e em atmosferas gasosas, não sãorecomendáveis, porque diminuem a resistência à corrosão. Neste caso, a nitretação porplasma que permite realizar a nitretação em temperaturas mais baixas, evita a reduçãoda resistência à corrosão.

11. 3. 1. Processos de Nitretação

a) Nitretação em Banho de sal

É realizada em banho de sal contendo cianeto de sódio. A temperaturanormalmente se situa em torno de 560ºC.

Este processo é conhecido como Teniferização. O tempo de processonormalmente não ultrapassa 3 horas, produzindo camadas finas ( 0,04mm).

b) Nitretação GasosaÉ nitretação gasosa é realizada em fornos de atmosfera gasosa onde a

fonte do nitrogênio é a Amônia craqueada.Este processo permite ciclos prolongados (20, 30, 60 e 90 horas), e com

isso as camadas podem chegar a profundidades bem mais elevadas que asobtidas no processo em banho de sal.

c) Nitretação a Plasma

É realizada em uma câmara de vácuo, e a fonte de nitrogênio é o gásionizado. Este processo pode ser realizado em temperaturas mais baixas que os

outros dois processos, e por isso permite a realização da nitretação em açosinoxidáveis sem diminuição da resistência à corrosão.



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Figura 40 : Camada nitretada em um aço H-13.



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12. TENSÕES RESIDUAIS E OS TRATAMENTOS TÉRMICOS

Todos os materiais que sofrem tratamentos térmicos para endurecimentoapresentam tensões residuais.

12. 1. Introdução

No tratamento térmico, as tensões residuais causam problemas como: trincas,variações dimensionais e variações de forma.

Quando do projeto de um determinado componente mecânico, a primeira medidaadotada pelo projetista é especificar que após o tratamento térmico não poderá haverdeformações.

Entretanto, todo o beneficiamento é acompanhado de distorções dimensionais edeformações cujas causas principais são:

a) Alterações volumétricas determinadas por alterações cristalográficas, ouabsorção de matéria em processos termoquímicos.

b) Tensões residuais geradas pela variação de volume.c) Tensões já existentes na peça antes do tratamento térmico.d) Tensões originadas por gradientes de temperatura.e) Tensões estáticas surgidas durante o tratamento térmico como, por exemplo,

o próprio peso da peça quando do posicionamento dessa dentro do forno.

A avaliação das deformações depende de outros fatores. As variaçõesvolumétricas não ocorrem por igual em todas as direções, geralmente se orientando nasdireções das tensões que se formam pelo próprio aumento de volume.

As tensões provocam tanto deformações elásticas como plásticas, desde queultrapassem o limite de escoamento do material.

Uma vez que o limite de escoamento depende do material e da temperatura, eque as diferenças de temperatura no interior da peça dependem do tratamento térmico,forma e dimensões da peça, o problema de deformações passa a ter tantas variáveis quese torna difícil uma melhor avaliação. Somente peças de formato e geometrias simplespodem dar uma noção melhor de alguns parâmetros.

12. 2. Tipos de Tensões que Atuam no Material

Existem dois tipos de tensões residuais que podem estar presentes durante otratamento térmico. Esses tipos são:

a) Macrotensões: São as tensões que atuam em todo o material (mudanças devolume com a temperatura).

b) Microtensões: São as tensões associadas aos defeitos da rede cristalina(vacâncias, discordâncias e mudanças de fases).

Essas tensões, tanto macro como micro, podem ser de tração ou de compressão.



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Quando atuam na superfície, as tensões de tração contribuem para a diminuiçãoda resistência à fadiga, ocorrendo o contrário se as tensões forem compressivas.

12. 3. Deformações no Tratamento Térmico

A isenção de deformação no tratamento térmico às vezes coincide com existênciade fatores que se anulam. Outras vezes, é possível minimizar as deformações pelamudança de alguns parâmetros.

Da mesma forma é possível prever deformações e distorções dimensionais emdeterminadas peças, possibilitando prever um sobre-metal para a usinagem.

Em todos esses casos, porém, é necessária a realização de várias experiênciaspara que se alcance os resultados desejados.

Para a realização dessas experiências deve-se ter em conta que:

1º) A estrutura de uma peça temperada tem volume maior que a de uma peçarecozida.

2º) Para cada tipo de aço existe um diâmetro para o qual, temperando-se a partirda temperatura normal de austenitização, as variações dimensionais são nulas.

3º) Quanto maior a temperabilidade do aço, tanto mais o ponto de variaçãodimensional zero se deslocará para diâmetro maiores.

12. 4. Recozimento para Alívio de Tensões

Para que as deformações durante o tratamento térmico possam ser previstas énecessário que as peças tenham pouca tensão interna antes do tratamento. Estastensões não são visíveis, somente os seus efeitos.

Peças forjadas, desempenadas, resfriadas não uniformemente possuem tensõesinternas que alcançam o seu maior valor na superfície. Se essas tensões estiveremuniformemente distribuídas pelo diâmetro do eixo, elas determinarão apenas uma

pequena variação no comprimento durante a usinagem, não causando problemas emoutras direções. Porém, se essas tensões forem assimétricas, como por exemplo, oesforço feito para desempenar após a usinagem bruta, elas já´se farão sentir durante ausinagem final.

Nesse caso, é necessário realizar um alívio de tensões para reduzir as tensõesresiduais, que não serão aliviadas totalmente, mas sim diminuídas para níveis aceitáveis.

O a alívio de tensões é um aquecimento a uma temperatura em torno de 600ºCpor um tempo médio de 2 horas em temperatura, com resfriamento lento e uniforme até

300ºC.



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12. 4. 1. Deformação Causada pelo próprio Peso da peça

As deformações causadas pelo próprio peso da peça quando aquecida deve serconsiderada de a peça tiver uma grande relação diâmetro/comprimento. Por exemplo, umeixo de aço com 100mm de diâmetro, e distância entre apoios de 2m terá uma tensão de

flexão de 0,32kgf/mm2. Nessas condições, mesmo a uma temperatura de 600ºC nãohaverá deformações. Porém, se houver uma diferença de 30ºC entre as duas pontas doeixo, criar-se-ão tensões com cerca de 4kgf/mm2 , suficientes para causar deformaçãoplástica no eixo aquecido, e portanto, tensões residuais após o resfriamento.

O alívio de tensões antes do beneficiamento é do beneficiamento édesnecessário, pois se houver tensões residuais acumuladas, essas irão deformar omaterial durante o alívio de tensões. Portanto, o alívio deverá ser feito antes da usinagemfina, para assim evitar deformações causadas pelas tensões residuais da usinagembruta.

Porém, quando o aquecimento é superficial, recomenda-se executar um alívio detensões antes da têmpera, pois nesse caso o aquecimento é curto e rápido, e o efeito deum alívio de tensões antes da têmpera é notório. Isso se explica pelo fato de que duranteo recozimento o aquecimento é lento e o limite de escoamento baixo uniformementedurante o resfriamento lento em todo o diâmetro da peça, determinando tensõesresiduais menores. Na têmpera superficial somente a superfície da peça é aquecida; ascamadas mais internas não ultrapassando 300ºC continuam tencionadas.

Em realidade, cada caso particular deverá ser analisado, para ver se antes doúltimo acabamento mecânico deverá ser feito um alívio de tensões.

Para ferramentas de alto custo o alívio de tensões deverá ser feito sempre, pois ocusto do alívio de tensão é baixo em relação ao custo da peça. Porém, em peçasseriadas deve-se estabelecer se é justificável sucatar um pequeno lote ou se os custosde desempeno são superiores aos do alívio de tensão.

Por outro lado, a experiência mostra que, em certos casos, é vantajoso pré-

beneficiar a peça antes de usinar.

12. 5. Aumento de Volume pela Transformação da Austenita em Martensita

Quando o aço resfria ocorre contração de volume. Na transformação de austenitapara martensita ou de austenita para bainita ocorre um aumento de volume.

A região periférica que resfria mais rápido contrai comprimindo a região internaque por sua vez traciona a casca externa por estar com volume maior.

12. 6. Tratamento Térmico em Dispositivos

As deformações se orientam segundo o estado de tensões. Sabendo-se comoesta deformação ocorre é possível impedi-la através do uso de dispositivos que fixam apeça e impedem que a deformação ocorra naquele sentido. Estes dispositivos devempermitir que o resfriamento seja o mais homogêneo possível. Se isso não ocorrer, a faceque resfriar mais rápido contrai ficando côncava tracionando a outra face que ficaráconvexa após a retirada do dispositivo.

Peças compridas, como cilindros, devem girar durante a têmpera, enquanto peçasplanas e delgadas devem ser temperadas prensadas entre placas refrigeradas e aspeças deverão resfriar sempre do centro para periferia, para evitar tensões decompressão radiais.

O revenimento sob compressão também pode ser utilizado para desempenar

desde que a temperatura utilizada permita liberar as tensões existentes.



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ANEXO 1 – DIAGRAMA FERR0/CARBONO

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA

- METALS HANDBOOK, Heat Treatment , VOLUME 4, Coleção ASM,- AÇOS E FERROS FUNDIDOS, Vicente Chiaverini.- METALOGRAFIA E TRATAMENTO TÉRMICO – Hubertus Colpaert.



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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

MELCONIAN, Sarkis. Mecânica técnica e resistência dos materiais. 14. ed. São Paulo:Érica, 2004.

HIBBELER, Russel Charles. Mecânica estática. Rio de Janeiro: Livros Técnicos eCientíficos Editora, 1999.

HIBBELER, Russel Charles. Resistência dos Materiais. Rio de Janeiro: Livros Técnicose Científicos Editora, 1999.

GOMES, Sérgio Concli. Resistência dos materiais. 5. ed. São Leopoldo: UNISINOS,1983.

PROVENZA, Francesco. Projetista de máquinas. São Paulo: PRO-TEC, 1996.

SOUZA, Hiran Rodrigues de. Resistência dos Materiais. São Paulo: Pro-Tec, 1989.

ENSAIO DE MATERIAIS - TELECURSO 2000, Editora Globo,

ENSAIO MECÃNICO DOS MATERIAIS METÁLICOS, Autor: Sérgio Augusto de Souza,Editora Edgar Blücher Ltda.

- METALS HANDBOOK, Heat Treatment , VOLUME 4, Coleção ASM,

- AÇOS E FERROS FUNDIDOS, Vicente Chiaverini.

- METALOGRAFIA E TRATAMENTO TÉRMICO – Hubertus Colpaert.

- ACEROS ESPECIALES, Jose Apraiz Barreiro.



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DILMAR CORDENONSI MARTINS O autor organizador do assunto Esforços Mecânicos II é graduado emEngenharia Mecânica pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos –

UNISINOS e em Física, Licenciatura plena, pela Universidade de Ijuí -UNIJUÍ, pós-graduado, a nível de especialização, em Engenharia deSegurança do Trabalho – UNISINOS e em Física pelas FaculdadesIntegrada de Santa Cruz do Sul. Possui curso superior de Formação de

Professores de Disciplinas Especializadas, na área de mecânica para ensino técnico, anível de 2º grau, Esquema I pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. Atualmente é professor de Nível Técnico na Escola de Educação Profissional SENAIPlínio Gilberto Kroeff e no Colégio Cristo Redentor –Ulbra.dil @t b

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

apostila tec dos materiais 2015

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