Módulo 1

                                                                 MISSÃO

Promover a educação profissional e tecnológica, a inovação e a transferência de tecnologias industriais, contribuindo para elevar a competitividade da indústria cearense.

                                                POLÍTICA DA QUALIDADE

Promover a satisfação dos clientes, desenvolvendo produtos e serviços que atendam aos seus requisitos, através de talentos humanos qualificados e valorizados, melhoria contínua e recursos adequados.

Parte 1

Materiais empregados na indústria mecânica.

1. Classificação e características dos materiais 

Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá.

1.1 Classificação dos materiais

Apresentação abaixo uma classificação dos materiais mais comumente utilizados, tendo cada um sua importância e emprego definidos  em função de suas características e propriedades.

1.2 Materiais metálicos

A Classe de materiais metálicos pode ser dividida em dois grandes grupos distintos: ferrosos e não ferrosos.

1.2.1 Materiais metálicos ferrosos

É um dos principais materiais empregados na industria mecânica. Os mais famosos são:
Aço: liga de ferro e carbono com C<2%. É um material de excelentes propriedades e de fácil trabalho;
Ferro fundido: liga de ferro e carbono com 2%<C<5%, material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com vantagens.
 Como esses materiais são facilmente trabalhados, com eles é construída maior parte das máquinas, ferramentas, bem como instalações que necessitam de materiais de grande resistência.

1.2.2 Materiais metálicos não-ferrosos

São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Podem ser usados isoladamente como também na formação de ligas metálicas. Normalmente são materiais caros, utilizado em aplicações onde se exijam resistência a oxidação.

1.3 Materiais não-metálicos

Existem numerosos materiais não metálicos, porém é possível dividi-los em dois grupos:

• Naturais: madeira, couro, fibras, etc.
• Artificiais ou sintéticos: plástico, baquelite, acrílico, tecnil, celeron, etc.

1.4 Estrutura cristalina dos metais

A maioria dos metais ao se solidificarem sofrem uma contração de volume. Nesse estado, os átomos dotados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros, assumindo assim posições de equilíbrio.
Essas posições apresentam uma ordenação geométrica espacial que é função da natureza do metal. A essa disposição ordenada denomina-se estrutura cristalina.

1.4.1 Tipos de estrutura cristalina

 a) Rede cúbica de face centrada: típica dos metais Ni, Cu, Pb, Al. É chamado ferro Gama.

b) Rede cúbica de corpo centrado: típica dos metais V, Cr, Mo. É chamado ferro  (Alfa).

c) Hexagonal compacta: típica dos metais Mg, Zn, Cd, Ti.

1.5 Propriedades mecânicas dos materiais

Na construção de peças e componentes, deve-se observar se os materiais empregados podem suportar os esforços aos quais serão submetidos. Assim, o conhecimento das propriedades dos materiais é fundamental para determinar sua escolha. A seguir, tem-se algumas dessas propriedades.

Elasticidade

Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar à sua forma e dimensões originais quando cessa o esforço que o deformava.

Fragilidade

Materiais muito duros tendem a se quebrar com facilidade, não suportando choques. Assim os materiais que possuem baixa resistência aos choques são chamados frágeis. Exemplo: vidro, FoFo (ferro fundido).

Ductibilidade

É o oposto da fragilidade. São dúcteis os materiais que por ação de uma força se deformam plasticamente (permanentemente), conservando sua coesão. Exemplos: cobre, alumínio, aço com baixo teor de carbono, etc.

A seguir, tem-se um fio de cobre de 300 mm de comprimento que, ao ser tracionado, esticará até 400mm sem se romper, o que demonstra sua ductibilidade.

Tenacidade

Se um material é resistente e possui boas características de alongamento, suporta esforços consideráveis de torção, tração ou flexão, sem romper-se, é dito tenaz. Exemplos: a chapa da lataria de um automóvel consegue absorver grande parte da energia numa colisão diminuindo os efeitos nos seus ocupantes.

Abaixo, tem-se dois pinos de aço submetidos a um esforço de torção. A mesma não rompe facilmente, o que demonstra no ensaio a tenacidade de seu material.

Dureza

Pode ser definida como a resistência que um material sofre ao ser penetrado por outro. Exemplos: Abaixo tem-se ilustrações do processo conhecido como usinagem, nos quais as ferramentas de corte devem ser duras o suficiente para não se desgastar e penetrarem em outro material menos duro.

1.6 Resistência dos materiais

Resistência é a característica dos materiais a se oporem a esforços externos. Abaixo, tem-se os principais esforços que o material pode estar submetido.

A figura acima mostra graficamente os tipos de esforços mais comuns a que são submetidos os elementos construtivos:

(a) Tração: a força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma.
(b) Compressão: a força atuante tende a produzir uma redução do elemento na direção da mesma.
(c) Flexão: a força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular à mesma.
(d) Torção: forças que atuam num plano perpendicular ao eixo e cada secção transversal tende a girar em relação às outras.
(e) Ruptura: é um esforço de compressão numa barra de secção transversal, pequena em relação ao comprimento, que tende a produzir uma curvatura na barra.
(f) Cisalhamento: forças que tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre secções transversais.

Observação: os esforços podem se apresentar de forma isolada ou combinada.

1.7 Ensaios mecânicos

Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que simulam os esforços que os materiais vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação.
Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios (destrutivos e não-destrutivos).

Ensaios de Oficina

São exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina:

a) Ensaio por lima - É utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco. Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não corta, podemos dizer que o material é duro.

b) Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num esmeril.

c) Ensaio por som - Utilizado para verificar trincas em peças fundidas, rebolos, etc. Pode-se distinguir também o som alto, característico do aço, ou som baixo, típico do ferro fundido, etc.

Ensaios destrutivos

São aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados.

Os principais ensaios destrutivos são: tração, compressão, cisalhamento, dobramento, flexão, embutimento, torção, dureza, fluência, fadiga, impacto. A seguir, serão mostrados, em detalhes, os ensaios de tração, dureza e impacto.

a) Ensaio de tração - Consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. A seguir, o corpo de prova empregado no ensaio.

b) Ensaio de dureza - Por definição, a dureza de um matal é a resistência que o mesmo oferece a penetração de um corpo mais duro. O objetivo do ensaio é: conhecer a resistência do material quanto ao desgaste e a penetração, avaliar o tratamento térmico realizado e verificar as possibilidades de usinagem do material.

c) Ensaio de impacto - Caracteriza-se por submeter o corpo de prova a uma força brusca e repentina no intuito de rompê-lo. Os principais tipos de ensaio são: Charpy e Izod.

Ensaios não-destrutivos

São aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por consequência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados.

Os ensaios mais importantes são: visual, líquido, penetrante, partículas magnéticas, ultra-som, radiografia industrial.

1.8 Tratamento térmico

É o conjunto de operações de aquecimento, permanência e resfriamento das ligas metálicas em estado sólido, com a finalidade de alterar suas estruturas para obter desejáveis propriedades físicas e mecânicas. Os tratamentos podem ser termofísicos e termoquímicos.

Tratamentos termofísicos

São aqueles que modificam as características mecânicas e as propriedades do aço, por simples aquecimento e resfriamento. Segue os principais tipos:

a) Normalização - Aquece-se o aço em temperaturas elevadas durante certo tempo em seguida resfria-se ao ar;

b) Recozimento - Aquece-se o aço a temperaturas superiores a 723ºC durante certo tempo até que ocorra a completa transformação de sua estrutura. Em seguida procede-se o lento resfriamento dentro do próprio forno até 600ºC, em seguida termina-se o resfriamento ao ar;

c) Têmpera - Consiste em aquecer o aço a temperaturas superiores a 723ºC de modo a se obter sua completa transformação estrutural. Após o aquecimento o aço é resfriado bruscamente em água ou óleo. O resultado é um aço duro e resistente;

d) Revenimento - Tratamento efetuado após a têmpera para redução de tensões internas geradas no processo. Aquece-se o aço a temperaturas inferiores a 723ºC, mantém-se certo tempo nessa temperatura para depois resfriá-lo lentamente ao ar.

Tratamentos termoquímicos

Consiste em endurecer superficialmente os aços através da adição de certos elementos químicos que modificam parcialmente sua composição química superficial. Os tratamentos mais usuais são:

a) Cementação ou carbonetação - Enquanto no núcleo os aços cementados contêm de 0,15 a 0,25 % de carbono, na superfície o teor de carbono pode ser ajustado para valores entre 0,8 e 1 %. A cementação pode ser realizada em meio sólido, líquido ou gasoso, também podendo ser utilizado plasma. O potencial químico do carbono no meio de cementação determina o potencial máximo de carbono que o aço pode atingir e assim o teor de carbono na superfície do material.

b) Nitretação - É um tratamento termoquímico da metalurgia em que se promove enriquecimento superficial com nitrogênio, usando-se de um ambiente nitrogenoso à determinada temperatura, buscando o aumento de dureza do aço até certa profundidade. O objetivo é difundir o nitrogênio, para isso, um cubico de corpo centrado é melhor para a difusão, portanto, temperaturas abaixo de 720ºC são ideais. A nitretação tem menos empenamento em relação a cementação, porem, a camada é muito mais fina,chega a 0,3µm a nitretação gasosa e a 0,15µm a nitretação a plasma. Com a nitretação, a dureza pode chegar a 1400HV.

c) Cianetação - É também chamada de carbo-nitretação líquida, consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da crítica num banho adequado de sal cianeto fundido, ocorrendo absorção simultânea na superfície do aço de carbono e nitrogênio. O resfriamento posterior em óleo, água ou salmoura produz uma camada superficial dura, de alta resistência ao desgaste. A camada cianetada contém menos carbono e mais nitrogênio do que as camadas cementadas por via líquida. Para os banhos de cianetação preferem-se os banhos de cianeto de sódio aos de potássio pela sua maior eficiência e custo mais baixo. A faixa de temperatura de operação dos banhos de cianetação varia de 760ºC a 870ºC. O tempo de imersão varia de 30 minutos a 1 hora, e a espessura da camada cianetada varia geralmente entre 0,10 a 0,30 mm. A cianetação é mais aplicada comumente em aços carbono co baixo teor de carbono, quando se deseja rapidamente uma camada com dureza e resistência ao desgaste satisfatório. A camada cianetada compõe-se de duas zonas distintas: uma, mais externa, martensítica; outra, mais interna, bainítica; apresentando teor mais baixo de carbono.

d) Boretação - É um processo termoquímico de tratamento de superfícies onde ocorre a difusão de átomos de boro para dentro da superfície formando um complexo de boretos (F e 2B). O boro preenche os espaços do substrato criando uma nova liga de boro e ferro. Por se tratar de um verdadeiro processo de difusão não há interferência mecânica entre a liga e o substrato. A camada boretada é extremamente dura, apresentando, também, uma grande resistência à corrosão. Tipos de boretação: gasosa, líquida, sólida ou pastosa. Os agentes boretantes estão disponíveis na forma de pós ou pastas, em granulometrias que variam de <150µm até grãos >2000µm e sua escolha vai em função do substrato metálico que receberá a boretação, aplicação de peça a ser boretada e o acabamento final que se deseja.