Materiais de construção mecânica

•Instrutor Diego Santana

Escola Técnica SENAI Santo Amaro

HISTÓRICO

Origem

A primeira vez que o homem viu o ferro foi sob a forma de

meteoritos. Daí a palavra “siderurgia”, pois Sidus significa estrela,

em Latim;

Primeiras evidências de uso: China e Índia (a 2000 anos antes de

Cristo);

HISTÓRICO

Início da Industrialização: Os Hititas, em, aproximadamente, 1700 a.C., aqueciam uma mistura de minério de ferro e carvão vegetal em um buraco no solo. Obtinham, assim, uma massa pastosa que era, em seguida, batida para desprender as impurezas e escórias.

HISTÓRICO

• O que restava da massa de ferro era depois forjado na

forma de punhais, espadas, utensílios e armaduras de

malha.

Metalurgia Extrativa

Os minérios e o Brasil

• Em 1554, o Pe. Anchieta notificou a existência de depósitos de prata e minério de ferro no atual estado de SP.

• A produção de ferro (magnetita) só começou em 1587 por Afonso Sardinha.

• Depois de Afonso Sardinha, a produção de ferro estagnou, só sendo retomada no século seguinte.

• Hoje, o Brasil é considerado o 9º produtor mundial.

METAIS FERROSOS

•São materiais que tem como elemento principal o ferro (Fe). São eles:

•Ferro fundido: é uma liga ferro – carbono com teores de carbono entre 2,11% a 6,67%

•Aço: é uma liga ferro – carbono com teores de carbono variando entre 0,008% a 2,11%.

•O ferro fundido e o aço são produzidos a partir da obtenção do ferro gusa.

MATÉRIAS - PRIMAS PARA OBTENÇÃO DO

FERRO GUSA NA SIDERURGIA

Minério de Ferro

Carvão

Calcário

MINÉRIO DE FERRO

• Os minerais que contém ferro em quantidade apreciável são os

óxidos, silicatos,carbonatos, sulfetos. O óxido é o mais

importante do ponto de vista siderúrgico.Os principais óxidos

são:

• Magnetita (óxido ferroso - férrico), de fórmula Fe3O4 contendo

72,4 % Fe.

• Hematita (óxido férrico), de fórmula Fe2O3 contendo 69,9% Fe.

• Limonita (óxido Hidratado de ferro), de fórmula 2Fe2O3 3H2O

contendo em média 48,3 % Fe

CARVÃO

O carvão coque ou de madeira é utilizado no alto-forno e tem as seguintes funções:

• Fornecedor de calor para combustão;

• Fornecedor do carbono para redução do óxido de ferro,

• Indiretamente, fornecedor do carbono como principal elemento de liga do ferro gusa.

Carvão mineral Carvão vegetal

CARVÃO

O carvão utilizado no alto-forno, pode ser obtido de duas

formas:

1- Queima da madeira (carvão vegetal);

2- Através de um processo de aquecimento a altas

temperaturas da Hulha (carvão mineral).

À esse processo, dá- se o nome de coqueificação

originando assim, o coque (carvão mineral depois do

processo de aquecimento).

• O coque e o carvão de madeira permitem que temperaturas

mais elevadas sejam atingidas,dentro do alto-forno. Por

serem menos inflamáveis do que os produtos naturais que

os originam.

COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO CARVÃO

VEGETAL E MINERAL

•Carvão mineral (%)

•Carvão vegetal

CALCÁRIO (CaCO3)

• Assume o papel de fundente que é

combinar-se com as impurezas (gangas) do

minério e com as cinzas do carvão.

Formando as chamadas “escórias”.

•Composição média do Calcário para uso em alto-forno

•PRODUÇÃO DO FERRO GUSA:

ALTO - FORNO

É o principal aparelho utilizado para a produção do ferro gusa.

•Nele, ocorre as reações, essencialmente, de redução dos óxidos dos minérios de ferro, mediante o uso do material à base de carbono (carvão).

•Da mesma forma, indiretamente, nele ocorre o suprimento de carbono para as ligas ferro – carbono que são os principais produtos do alto forno.

Seção transversal de um alto forno moderno.

CONSTRUÇÃO DO ALTO FORNO

É composto por três partes principais:

1- Cadinho: parte do alto forno onde se acumulam o metal fundido e a escória, resultante das reações que ocorrem no interior do alto forno. O diâmetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser mais ou menos igual ou maior que 10 metros. A altura do cadinho supera frequentemente 4 metros.

2- Rampa: tem formato tronco – cônico; suas dimensões variam desde o diâmetro do cadinho até acima de 10,5 metros. Sua altura pode superar 4 metros. A inclinação da rampa é da ordem de 800 a 820 em relação à horizontal.

3- Cuba : também de forma tronco – cônica tem a seção menor voltada para cima, no topo ou goela. Sua altura, a partir da rampa, pode chegar a 25 metros. Em consequência, a altura do alto forno, compreendendo o cadinho, rampa e cuba, supera 30 metros aos quais devem juntar – se 4,5 a 5 metros do fundo do cadinho ao piso do chão.

CARREGAMENTO DO ALTO FORNO

•O sistema copo e cone tem por função realizar uma distribuição uniforme da carga para evitar a saída de gases para a atmosfera

CARGAS E PRODUTOS RESULTANTES DE UM ALTO FORNO

•FORNOS PRIMITIVOS

Forja Catalã

• A forja catalã foi desenvolvida no século VI da era cristã (período

que correspondia à Idade Média), na Europa.

• Obtinha-se um tipo grosseiro de aço pela redução direta do minério,

sem a obtenção intermediária de ferro gusa. A liga pastosa, ao

solidificar, tornava-se frágil e quebradiça.

• Forja catalã. Utilizava 4 kg de carvão para 1 kg de ferro

OBTENÇÃO DO AÇOO ferro gusa é uma liga ferro-carbono, na qual o carbono

e impurezas normais ( Si, Mn, P, S), se encontram em teores elevados. A sua transformação em aço, que é uma liga de mais baixos teores de C, Si, Mn, P, S, corresponde a um processo de oxidação o qual consegue diminuir o percentual destes elementos até valores desejados. Os agentes oxidantes usados para a transformação do ferro gusa em aço podem ser de natureza gasosa, como o ar e oxigênio, ou podem ser de natureza sólida, como minérios na forma de óxidos. Assim, os processos para a produção do aço podem ser classificados de acordo com o agente utilizado.

1- Processos pneumáticos: onde o agente oxidante pode ser o ar ou o oxigênio.

2- Processos Siemens – Martin, elétrico, duplex, etc., em que os agentes oxidantes são substâncias sólidas contendo óxidos.

• Dependendo da composição do ferro gusa e do tipo de aço desejado, pode - se considerar ainda outra divisão dos processos de sua fabricação, qualquer que seja o tipo de forno:

3- Processos ácidos: em que podem ser diminuídos ou removidos facilmente os elementos, C, Si e Mn, não acontecendo, também o mesmo com os elementos P e o S.

4- Processos básicos: em que todos os elementos citados podem ser reduzidos aos valores desejados.

OBTENÇÃO DO AÇO

• O princípio básico de

qualquer um dos processos

pneumáticos é introduzir ar

ou oxigênio, pelo fundo,

lateralmente ou pelo topo,

por intermédio de uma

“lança”.

1- PROCESSOS PNEUMÁTICOS

•CONVERSOR BESSEMER

•É um processo pneumático tradicional que tem o nome de seu inventor, em 1847, na Inglaterra. Na mesma época um outro forno análogo ao de Bessemer foi desenvolvido, nos EUA, por Kelly.

•A capacidade da maioria dos conversores Bessemer variam entre 25 a 30 t.

•Composição do ferro gusa no conversor, para operação nas melhores condições:

•REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DAS MODIFICAÇÕES DE COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO METAL QUE OCORREM DURANTE A OPERAÇÃO DOS CONVERSORES.

CONVERSOR THOMAS

• Este processo,patenteado em 1879, na Inglaterra, diferencia – se do Bessemer por apresentar revestimento de dolomita, de natureza básica.

• As características físicas e o sistema de sopragem são iguais.

• O ponto final de operação de ambos os conversores é determinado pela inspeção visual da chama.

• Para um conversor de 40 t, o tempo de sopro varia entre 15 a 16 minutos.

• A principal diferença entre o conversor Thomas e o Bessemer reside na reações químicas que permite, no primeiro, a remoção do fósforo, pela utilização de cal a qual é possível porque o forno é revestido de material refratário de natureza básica; e igualmente na remoção do enxofre. A oxidação ou remoção do carbono, manganês e silício é processada de modo idêntico ao Bessemer.

PROCESSO SIEMENS - MARTIN

• O princípio deste processo consiste em aquecer uma determinada carga de material ferroso num “forno de sola” (open - hearth), mediante um combustível (geralmente gasoso), em mistura com ar, ambos previamente aquecidos em “recuperadores” ou em “regeneradores”, de modo a atingir – se uma temperatura de vazamento de aproximadamente 16500 C.

• A carga consiste em ferro gusa (sólido ou líquido) e sucata sólida.

• Esse processo pode superar 200 t por operação.

• Esse processo está sendo paulatinamente descontinuado pelas maiores vantagens dos processos pneumáticos.

PROCESSO SIEMENS - MARTIN

PROCESSO ELÉTRICO•Consiste numa carcaça cilíndrica de aço. A parte inferior do forno,soleira, é constituída de um revestimento refratário de natureza básica, de natureza básica ou ácida. As partes laterais e a cobertura ( abóbada) são revestidas de tijolos refratários tipo silicoso.

•O sistema de aquecimento compreende três eletrodos, igualmente espaçados, cada um dos quais ligado a uma fase de um suprimento trifásico de eletricidade.

•Os eletrodos podem ser de carbono ou de grafita, sendo preferível esta última por possuir maior resistência e condutividade elétrica mais elevada. O efeito de aquecimento é produzido por arcos que se formam entre os três eletrodos.

•A faixa de voltagem vai de 90 a 500 volts. As condições de fusão são controladas pela variação de voltagem aplicada e pelo ajuste automático da posição ou altura dos eletrodos.

•FORNO DE ARCO ELÉTRICO

FORNO ELÉTRICO A ARCO

•Os fornos elétricos a arco são dimensionados em termos de diâmetro de carcaça; isso determina a capacidade em toneladas do metal líquido do forno.

•EXEMPLO: Um forno com diâmetro de 2,75 m tem uma capacidade de 10 a 12 t de metal líquido.

Um forno com diâmetro de 3,35 m tem uma capacidade de 22 e 26 t.

•A produção por hora depende da energia disponível; em média, a produção de 1 t/h exige cerca de 1000 kVA de capacidade de transformador.

•Funde qualquer tipo de sucata.

PROCESSO DUPLEX

• Consiste na combinação de dois processos, como por exemplo conversor Bessemer ácido e Siemens – Martin básico.

• No Bessemer, o ferro gusa proveniente do alto forno, é inteiramente oxidado, de modo a reduzir ao mínimo os teores de silício e manganês e oxidar grande parte do carbono.

• A seguir, o material é transferido ao forno Siemens – Martin básico onde o restante do carbono e fósforo são oxidados. O aço é então acabado, recarbonetado e recebe as adições finais de ferros – ligas.

AÇOS –LIGAS

• Aços que sofreram adição de outros

elementos, tais como, Al, Ni, Cr, Mo, V,

Cu, Co, W, com o objetivo de melhorar

suas propriedades mecânicas.

VANTAGENS DOS AÇOS LIGAS

• Melhor usinabilidade

• Melhor temperabilidade

• Melhor capacidade de corte

• Melhor resistência ao desgaste

• Melhor resistência à corrosão

INFLUÊNCIA NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

TABELA AÇOS - LIGAS

OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO

• O ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de carbono

do ferro gusa.

• É portanto um ferro de segunda fusão.

• A fusão do ferro gusa, para a obtenção do ferro fundido, é feita em

fornos apropriados sendo o mais comum, o forno “Cubilô”.

OBTENÇÃO DO FERRO FUNDIDO

• O seu diâmetro interno pode

chegar a 1,80 m e a altura e a

altura superar a 15 metros.

• Sua capacidade de fusão varia

de 1 t /h até cerca de 50 t /h.

• A carga é composta de metal,

combustível ( carvão coque) e

uma substância fundente

(para facilitar a separação das

impurezas do metal e do carvão

e formar escória)

• A composição da carga

depende da experiência.

FORNO CUBILÔ

•FORNO CUBILÔ

FORNO CUBILÔPara a produção de ferro fundido com a seguinte composição:

A carga total do cubilô é a seguinte:

FERROS FUNDIDOS

• São considerados os seguintes tipos de

ferros fundidos:

• Ferro fundido branco

• Ferro fundido cinzento

• Ferro maleável

• Ferro nodular

• Propriedades : elevadas dureza e resistência

ao desgaste, difícil usinabilidade.

• Suas aplicações: revestimento de moinhos,

bolas para moinhos de bola, cilindros de

laminação para borracha, vidro, linóleo,

plásticos e metais, rodas de vagões, peças

empregadas em equipamento para britamento

de minérios, moagem de cimento etc.

FERRO FUNDIDO BRANCO

FERRO FUNDIDO CINZENTO

• Propriedades :Pela sua fácil fusão e moldagem, excelente usinabilidade, resistência mecânica satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento, é dentre os ferros fundidos, a mais usada.

• Aplicações: bases de máquinas, carcaças metálicas, barramentos, cabeçotes, mesas de máquinas operatrizes, engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de motor, anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens, eixos de comando de válvulas

FERRO MALEÁVEL

• Resulta de um ferro fundido branco, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial de longa duração chamado “maleabilização”. É considerado um material intermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento.

• Propriedades: ductilidade e tenacidade, resistência a tração, resistência a fadiga, resistência ao desgaste e usinabilidade.

• Aplicações: conexões para tubulações hidráulicas,

conexões em linhas de transmissão elétrica, correntes,

suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos

de rodas, sapatas de freios, pedais de freio e de

embreagem, colares de tratores, caixas de engrenagens etc.

FERRO NODULAR

• Propriedades :Também chamado de ferro fundido dúctil e caracteriza-se por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade

• Os processos de nodulização desses materias consiste na adição, no metal fundido, de determinadas ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário.

• Aplicações: peças sujeitas a pressão, como compressores, lingueteiras e bielas e outros tipos de peças que exijam maior resistência ao choque, como virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas dentadas, engates, sapatas, tambores de freio etc

MICROESTRUTURA DOS FERROS FUNDIDOS

TABELA FERROS FUNDIDOSTipo C Si Mn P S

Cinzento 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,002 - 1,0 % 0,02 - 0,25 %

Grafítico compacto 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,01 - 0,1% 0,01 - 0,03 %

Dúctil 3,0 - 4,0 % 1,8 - 2,8 % 0,1 - 1,0 % 0,01 - 0,1 % 0,01 - 0,03 %

Branco 1,8 - 3,6 % 0,5 - 1,9 % 0,25 - 0,8 % 0,06 - 0,2 % 0,06 - 0,2 %

Maleável 2,2 - 2,9% 0,9 - 1,9 % 0,15 - 1,2 % 0,02 - 0,2 % 0,02 - 0,2%

METAIS NÃO FERROSOS

• Como o próprio nome já diz, são metais

que em sua composição química, não

existe o elemento ferro. Ou em quantidade

desprezível. São os mais comuns:

• Cobre (Cu)

• Alumínio (Al)

• Zinco (Zn)

• Chumbo (Pb)

PROPRIEDADES

MECÂNICAS DOS METAIS

POR QUE ESTUDAR?

A determinação e/ou conhecimento das propriedades

mecânicas é muito importante para a escolha do material

para uma determinada aplicação, bem como para o

projeto e fabricação do componente.

As propriedades mecânicas definem o comportamento

do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois

estas estão relacionadas à capacidade do material de

resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper

e sem se deformar de forma incontrolável.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES

MECÂNICAS

Resistência Mecânica

Dureza

Ponto de Fusão

Plasticidade

Maleabilidade

Ductilidade

Soldabilidade

Tenacidade

Resiliência

RESISTÊNCIA MECÂNICA

Resistência mecânica de uma estrutura é

a sua capacidade de suportar as

solicitações externas sem que estas

venham a lhe causar deformações

plásticas (deformações irreversíveis).

DUREZA

Capacidade de um material resistir à penetração.

É a resistência à deformação plástica permanente;

É a resistência ao risco ou a capacidade de riscar;

Dureza é a propriedade característica de um material

sólido, que expressa sua resistência a deformações

permanentes e está diretamente relacionada com a

força de ligação dos átomos.

PONTO DE FUSÃO

Temperatura na qual o metal passa do

estado sólido para o estado líquido.

PLASTICIDADE

Propriedade do material de se deformar

de maneira irreversível, quando submetido

à solicitações externas.

MALEABILIDADE

A maleabilidade é uma propriedade que

junto a ductilidade apresentam os corpos

ao serem moldados por deformação. Um

corpo maleável,permite a formação de

delgadas lâminas do material sem que

este se rompa.

DUCTILIDADE

Capacidade de um material deformar

plasticamente sem sofrer fratura.

TENACIDADE

Corresponde à capacidade do material de

absorver energia até sua ruptura

RESILIÊNCIA

Corresponde à capacidade do material de

absorver energia, quando este é deformado

elasticamente.

Materiais resilientes são aqueles que têm alto

limite de elasticidade e baixo módulo de

elasticidade (como os materiais utilizados para

molas)

SOLDABILIDADE

A boa soldabilidade de um aço é

associada à pouca transformação da

estrutura cristalina na execução da solda

São determinadas através de Ensaios Mecânicos, onde são utilizados corpos de prova (amostras do material do produto).

Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

As normas mais comuns são: ASTM (American Society for Testing and Materials),

ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES

MECÂNICAS DE UM MATERIAL?

ENSAIOS DE TRAÇÃO

• Determinação das Propriedades Mecânicas:

1. Resistência;2. Elasticidade;3. Rigidez;4. Ductilidade;5. Resiliência;6. Tenacidade;

Extensômetro

Corpo de provafixado namáquina de tração

estricção

•ENSAIOS DE TRAÇÃO

Te

nsã

o

(MP

a)

LR

LE ruptura(fratura)

Deformação (%) ductilidade (alongamento)

Encruamento(Fase Plástica)

Fase Elástica : = E (Lei de Hooke)

(E = módulo de elasticidade)

Estricção(instabilidade)

Resiliência

Tenacidade

Escoamento

•ENSAIO DE TRAÇÃO DE UM AÇO DE BAIXO CARBONO

E médio dos aços = 21.000 kgf/mm2 = 210.000 MPa = 210 GPa

•CÁLCULO DA DUCTILIDADE ( DEFORMAÇÃO) PELO ALONGAMENTO “A”

A % = comprimento final (lf) – comprimento inicial (l0)comprimento inicial (l0)

Ensaio de Dobramento

Descrição do ensaio

• O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do material;

• Não determina nenhum valor numérico;

• Na maioria das vezes a carga não precisa ser medida;

• A severidade do processo depende do diâmetro do cutelo;

• O dobramento sem cutelo é chamado de dobramento sobre si mesmo;

• A analise é feita a olho nu;

• O dobramento pode ser realizado em qualquer ponto ou qualquer direção do corpo de prova.

Ensaio de Dureza Brinell

Consiste em comprimir lentamente, por

meio de uma carga P, uma esfera de aço,

de diâmetro D, sobre uma superfície

plana, polida ou pelo menos preparada

com esmeril fino ou com lima tipo murça,

de um corpo de prova ou peça, durante

certo intervalo de tempo.

•HB + diâmetro da esfera + carga + tempo de aplicação da carga

•Exemplo: 85 HB 10 / 500 / 30

REPRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS

DURÔMETROS

• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 3.

• Tecnologia Mecânica, Chiaverini 2.

• Engenharia de materiais, Callister.

• Curso básico de siderurgia Gerdau.

• Google imagens.

•BIBLIOGRAFIA

Fim