2015.01 - 1ª aula de desenho de máquinas

Desenho de Máquinas


I – Livro Texto:

PROVENZA, Francisco . Projetista de maquinas. São Paulo:F. Provenza.

1960. p.irreg

CALLISTER, William D. Jr. Ciência e engenharia de materiais: uma

introdução. 5ªedição. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

Bibliografia complementar

PROVENZA, Francisco . Desenhista de maquinas. São Paulo:F. Provenza.

1960. 1 v.

PROVENZA, Francisco . Tolerâncias ISO. São Paulo:F. Provenza. 1995.


II – Conteúdo:

Cap. 1- Materiais para construção

mecânica.

Cap.2 - Tolerâncias e ajustes

Cap. 3 - Acabamento superficial

Cap. 4 - Polias, Correias e Engrenagens


• Ciência dos materiais faz parte do conhecimento básico para todas as engenharias

As propriedades dos materiais definem:

• o desempenho de um determinado componente e o processo de fabricação do mesmo


Propriedades dos

Materiais

Composição e Processo

de Fabricação

Microestrutura

E

N

G

E

N

H

A

R

I

A


O número de materiais cresceu muito nas últimas décadas e a tendência é de se proliferarem mais

num futuro próximo

• Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos métodos de extração de materiais da natureza

• Modificação de materiais naturais

• Combinação de materiais conhecidos para a formação de novos materiais


QUANTOS MATERIAIS DIFERENTES EXISTEM ?

COMO ESCOLHER ??


Como definir qual o melhor material

para um determinado fim? Exemplo: Copo

• Vidro

• Cerâmica

• Plástico

• Madeira

• Metal

• Papel

• Custo

• Tempo de vida ou Durabilidade

• Aparência

• Finalidade: Natureza do líquido (ex: copo de metal e papel não pode ser usado para café, suco de laranja não pode ser armazenado numa taça antiga de peltre porque remove o Pb da liga)

Depende


Quais os critérios que devemos adotar para

selecionar um material entre tantos outros?

1. Devemos caracterizar quais as condições de operação que

será submetido o referido material e levantar as

propriedades requeridas para tal aplicação, saber como

esses valores foram determinados e quais as limitações e

restrições quanto ao uso dos mesmos.

2. A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. – Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem

consideravelmente a resistência mecânica


3. Finalmente, a consideração talvez mais

convincente é provavelmente a econômica:

– Qual o custo do produto acabado??? Um material

pode reunir um conjunto ideal de propriedades,

porém com custo elevadíssimo.


INDÚSTRIA DE PONTA PRODUÇÃO EM MASSA

TIPOS DE INDÚSTRIA - INFLUÊNCIA DOS MATERIAIS

SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO SECUNDÁRIO)

SELEÇÃO CUIDADOSA (FATOR CUSTO PRIMORDIAL)

• Grande exigência

tecnológica

• Utilização dos mate-

riais nos limites

• Produtos não

diferenciados

• Utilização de materiais

abaixo dos limites

Fonte: Prof. Arlindo Silva do Instituto

Superior Técnico da Universidade de Portugal


4. Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra.

– Exemplo clássico: resistência e ductilidade, geralmente um material de alta resistência apresenta ductilidade limitada. Este tipo de circunstância exige que se estabeleça um compromisso razoável entre duas ou mais propriedades.


CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS A classificação tradicional dos materiais é geralmente baseada

na estrutura atômica e química destes.

• Metais

• Cerâmicas

• Polímeros

• Compósitos

• Semicondutores

• Biomateriais (Mat. Biocompatíveis)

Classificação tradicional


Metais

• Materiais metálicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos;

• Os elétrons não estão ligados a nenhum átomo em particular e por isso são bons condutores de calor e eletricidade;

• Não são transparentes à luz visível;

• Têm aparência lustrosa quando polidos;

• Geralmente são resistentes e deformáveis;

• São muito utilizados para aplicações estruturais.


Cerâmicas

• Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos;

• Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos;

• São geralmente isolantes de calor e eletricidade;

• São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros;

• Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis;

• Em geral são leves.

ALUMINA


Polímeros

• Materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos;

• São constituídos de moléculas muito grandes (macro-moléculas);

• Tipicamente, esses materiais apresentam baixa densidade e podem ser extremamente flexíveis;

• Materiais poliméricos incluem plásticos e borrachas.


Compósitos

• Materiais compósitos são constituídos de mais de um tipo de material insolúveis entre si;

• Os compósitos são “desenhados” para apresentarem a combinação das melhores características de cada material constituinte;

• Muitos dos recentes desenvolvimento em materiais envolvem materiais compósitos;

• Um exemplo classico é o compósito de matriz polimérica com fibra de vidro. O material compósito apresenta a resistência da fibra de vidro associado a flexibilidade do polímero.


Semicondutores

• Materiais semicondutores apresentam propriedades elétricas que são intermediárias entre metais e isolantes;

• Características elétricas são extremamente sensíveis à presença de pequenas quantidades de impurezas, cuja concentração pode ser controlada em pequenas regiões do material (para formar as junções p-n);

• Tornaram possível o advento do circuito integrado que revolucionou as indústrias de eletrônica e computadores

• Ex: Si, Ge, GaAs, InSb, GaN, CdTe..

InP


Biomateriais

• Biomateriais são empregados em

componentes para implantes de

partes em seres humanos;

• Esses materiais não devem

produzir substâncias tóxicas e

devem ser compatíveis com o

tecido humano (isto é, não deve

causar rejeição);

• Metais, cerâmicos, compósitos e

polímeros podem ser usados como

biomateriais.


Fonte: Prof. Arlindo Silva do Instituto

Superior Técnico da Universidade de Portugal


PRINCIPAIS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS

1. Mecânicas

2. Tecnológicas

3. Uso

4. Outras


Resistência Mecânica: tração,

compressão, flexão, torção,

cizalhamento, etc.

Resiliência (Capacidade de resistir a

esforços dinâmicos)

Elasticidade

Dureza

Mecânicas

Fusibilidade

Plasticidade: Maleabilidade e

Ductilidade

Soldabilidade

Temperabilidade

Usinabilidade

Tencidade (Capacidade de absorver

energia até a ruptura)

Tecnológicas


• Fusibilidade – É a propriedade que o material possui de passar do estado

sólido para o líquido sob ação do calor.

Metal Sólido Metal Fundido

– Ela é caracterizada pela temperatura de fusão;

– Todo metal é fusível, mas, para ser industrialmente fusível, é preciso que tenha um ponto de fusão relativamente baixo e que não sofra, durante o processo de fusão, oxidações profundas, nem alterações na sua estrutura e homogeneidade.


• Plasticidade

– É a propriedade que apresentam certos materiais de se

deixarem deformar permanentemente assumindo diferentes

tamanhos ou formas sem sofrerem rupturas, rachaduras ou

fortes alterações de estrutura quando submetidos a pressões

ou choques compatíveis com as suas propriedades

mecânicas.


• Maleabilidade

– É a característica apresentada pelo material em se deformar plasticamente sob ação de uma pressão ou choque, compatível com a sua resistência mecânica.

• Ductilidade – corresponde a elongação total do material devido à

deformação plástica, antes da ruptura;

– Pode ser compreendido também com a capacidade de ser fazer fio;

• Soldabilidade – É a propriedade que certos metais possuem de se unirem,

após aquecidos e suficientemente comprimidos.


• Temperabilidade

– É a propriedade que determina a profundidade e

distribuição da dureza produzida pela têmpera.

• Usinabilidade ou maquinabilidade

– É a capacidade de se deixar trabalhar em máquinas

operatrizes (torno, fresadora, plaina...).

• Tenacidade

– Corresponde à capacidade do material absorver energia até

sua ruptura.


• Resiliência

– Corresponde à capacidade do material em absorver

energia quando este é deformado elasticamente.


Resistência ao Ar

Resistência ao Calor

Resistência à Ação Corrosiva

Resistência à Fluidez (Creep)

Uso

Peso Específico

Densidade

Condutibilidade Térmica e Elétrica

Dilatação

Grau de Polimento

Outras


FALHAS MAIS COMUNS DE mATERIAIS METÁLICOS

•Deformação: elástica ou plástica - mudança de geometria;

•Rompimento: tração, compressão, cizalhamento (cargas

estáticas ou dinâmicas);

•Desgaste;

•Fusão Localizada;

Atuação de carga cíclicas

Meio ambiente: temperatura, corrosão, etc.

Descontinuidades presentes no material: bolhas,

prosidade, rachaduras, etc.

Concentração de tensões: mudança de seção, cantos

vivos, descontinuidades de massa

•Fadiga


Ferro: - O ferro é utilizado em ligas;

- Importante como material de construção em engenharia;

- Seu uso é importante devido a 3 fatores: 1) Fe existe em abundância; 2) Custo de fabricação relativamente econômicas; 3) Ligas de Fe são versáteis. - Desvantagem: corrosão

1.1 - Aços


Metal: Brilho metálico, boa condutividade térmica e elétrica;

Ligas: Adição de elementos químicos diferentes;

Aço-carbono: Liga de ferro (Fe) e carbono (C), contendo entre 0,05 e 2,0% de C;

Aços-liga: Aços com adição de outros elementos químicos (Cr, Ni, Mn, etc.);

Ferro fundido: Liga de ferro (Fe) e carbono (C), contendo entre 2,0 e 6,7% de C.

Estrutura do Ferro (Fe)


Estrutura (célula) cúbica de corpo centrado (CCC)

Estrutura (célula) cúbica de face centrada (CFC)



Formado basicamente de Ferro e Carbono:

- Cor acinzentada

- Peso específico: 7,8 g/cm3

- Temperatura de fusão: 1350 oC a 1400 oC

Aços carbono

Fe=1,24 Å C=0,77 Å

Solução Sólida intersticial de Fe-C


• Ferrita (α - alfa).

– Solução sólida de carbono em CCC, caracteriza-se pela baixa solubilidade

de carbono no ferro, chegando ao máximo de 0,0218% à 727 °C.

• Austenita ( - gama).

– Solução sólida de carbono em Fe CFC;

• Ferrita (δ - delta).

– Solução sólida de carbono em ferro CCC, sendo estável até 1538 °C,

quando a ferro se liquefaz. A solubilidade do carbono é baixo, atingindo um

máximo de 0,09% a 1495 °C. quando não houver referência contrária, o

termo ferrita, subentenderá a ferrita α.

• Cementita (Fe3C).

– É um carboneto de ferro de alta dureza existente até o teor de carbono de

6,69%.



• Efeito do elemento carbono nos aços. Quanto

maior o teor de carbono, observa-se:

– Aumento da resistência mecânica

• Limite de resistência

• Limite de escoamento

– Diminuição do alongamento

– Aumento da dureza

– Redução da tenacidade

– Menor facilidade na soldagem

Aços Carbono


Teor de C


Os critérios usados na classificação dos aços são:

A. quanto à composição química;

B. quanto à aplicação;

C. quanto ao processo de fabricação;

D. quanto à normas técnicas.

Classificação dos Aços


Extra – doce < 0,15% C

Baixo Carbono Doce 0,15 - 0,30% C

Meio – doce 0,30 - 0,40% C

Médio Carbono Meio – duro 0,40 - 0,60% C

Duro 0,60 - 0,70% C

Alto Carbono Extra – Duro 0,70 - 1,20% C

A. Quanto à composição química


São os aços que contem um ou mais elementos de liga além do Fe

e C, em quantidades tais que modifiquem ou melhorem

substancialmente uma ou mais de suas propriedades quer sejam

físicas, mecânicas ou químicas.

Quanto ao teor de elementos de liga os aços classificam-se em:

– Aços de baixa liga – quando o somatório dos teores dos

elementos de liga é inferior a 5%.

– Aços de alta liga – quando o somatório dos elementos de

liga (teores) é superior a 5%.

Aços Especiais (liga)


• Aços de construção: são usados na manufatura de componentes de equipamentos industriais.

• Aços para ferramentas e matrizes: compreendem os aços resistentes ao choques, para trabalho a frio e a quente e aços rápidos.

• Aços Inoxidáveis e resistentes ao calor: correspondem aos aços inoxidáveis martensíticos, ferríticos e austeníticos, mais aços refratários.

• Aços com características especiais: como por exemplos, aços para imans permanentes, para núcleos de transformadores,...

B. Quanto à aplicação


– Aços Siemens – Martin;

– Aços Bessemer;

– Aços LD: conversor de oxigênio de Linz-

Donawitz;

– Aços elétricos, etc.

C. Quanto ao processo de fabricação


– Aços Siemens – Martin: forno horizontal, carga por cima

e descarga do aço por orifício inferior;



– Aços Bessemer: produzidos em fornos basculante, com

orifícios no fundo (ar pressurizado);



Aços LD: conversor de oxigênio de Linz-Donawitz usa fundentes

(cal e fluorita) para a reação de oxidação das impurezas do aço (Si,

P, S, Mn) e redução do teor de carbono, formando escória.



– Aços elétricos



• Exemplo de representação do aço ABNT para construção civil:

ABNT CA 25A – aços para construção civil com sesc=25Kgf/mm2.

• ABNT – SAE – construção mecânica

SAE 1010 - aço carbono com 0,10% de carbono.

SAE 1008 - aço carbono com 0,08% de carbono.

D. Quanto as normas técnicas

1 – indica que é um aço carbono, desconsidera a presença de pequenas quantidades de outros metais como Mn, Si, P, S; 0 – indica a % de elementos de liga.


• Quatro algarismos para designar os aços;

• Os dois últimos algarismos teor de carbono

• Os dois primeiros algarismos indicam o tipo e a quantidade aproximada dos elementos da liga;

• Quando o primeiro algarismo é 1, os aços são simplesmente aços-carbono, desprezando seus teores mínimos de manganês, silício, fósforo, e enxofre. Neste caso, esses teores são considerados iguais a zero;

SAE 1 0 4 0 Nomenclatura dos aços


Nomenclatura dos aços


1 aço carbono

2 Ni

3 Ni – Cr

4 Mo

5 Cr

6 Cr – V

7 W

8 Ni – Cr – Mo

9 Si - Mn

Classificação quanto ao primeiro número dos 4 algarismos:



• Exemplos

– SAE 2350

• Aço ao níquel com 3% de níquel e 0,50% C;

– SAE 5130

• Aço ao cromo com 1% de cromo e 0,30% de C;

– SAE 9220

• Aço ao silício – manganês com 2% de Si-Mn e 0,20%

C.



10 XX Aços ao carbono comuns.

11 XX

12 XX

Aços de fácil usinagem com alto teor de enxofre.

13 XX

15 XX

Aços ao manganês com 1,75% de Mn.

Designação

C %

Mn %

Si %

1340 0,38 – 0,43 0,60 – 0,90 0,20 –0,25



Aço-carbono – Largamente utilizado

- Boa ductilidade e maleabilidade

O aço-carbono pode ser:

- Soldado - Curvado

- Forjado - Torcido

- Dobrado - Trabalho com ferramentas de corte

- Trefilados - Laminados

Aplicações do Aço


Aplicações

1) 0,05% a 0,15% de C (extra doce)

Chapas, fios, parafusos, tubos trefilados e produtos de caldeiraria

2) 0,15% a 0,30% (doce)

Barras laminadas e perfiladas, arruelas e outros órgãos de máquinas.

3) 0,30% a 0,40% (meio doce)

Peças especiais de máquinas, motores e ferramentas para agricultura

4) 0,40% a 0,60% (meio duro)

Peças de grande dureza, ferramentas de corte, molas e trilhos

5) 0,60% a 1,5% (duro e extra duro)

Peças de grande dureza e resistência, molas, cabos, etc.

Aplicações do aço Carbono


• Condições de serviço que exigem aços liga:

– Altas temperaturas: fluência, oxidação;

– Baixa temperaturas: fratura frágil;

– Meio corrosivo: corrosão acelerada;

– Produtos especiais: contaminação;

– Segurança: materiais tóxicos, explosivos, inflamáveis;

– Alta resistência: grandes esforços.

Aços Liga


Efeito dos elementos de adição (liga):

- Vanádio (V): Tenacidade e excelente desoxidante;

- Cromo (Cr): Aumento a resistência ao desgaste;

- Boro (B): Resistência a fadiga;

- Níquel (Ni): Boa ductilidade e resistência à corrosão;

- Tungstênio (W): Alta resistência mesmo em altas TºC;

- Manganês (Mn): Ductilidade, resistência ao desgaste/choque;

- Silício (Si): Aumenta a elasticidade e resistência;

- Alumínio (Al): Desoxidante;

- Molibdênio (Mo): alta resistência ao amolecimento;

Aços Liga

Desenho de Máquinas Elemento

De ligas

Influência na estrutura Influência nas

propriedades

Aplicações Produtos

Níquel Refina o grão.

Diminui a velocidade de

transformação na estrutura do aço.

Aumenta a LRT.

Boa ductilidade.

Aço para construção

mecânica.

Peças para automóveis.

Utensílios domésticos.

Caixa para tratamento térmico.

Manganês. Estabiliza os carbonetos.

Aumenta temperabilidade.

Diminui a velocidade de

transformações.

Aumento da resistência

mecânica e

temperabilidade.

Resistência ao choque.

Aço para construção

mecânica.

Peças para automóveis e

peças para usos gerais em

engenharia mecânica

Cromo. Forma carbonetos.

Acelera o crescimento dos grãos.

Aumenta a resistência a

corrosão e a oxidação.

Aumento da resistência a

altas temperaturas.

Aços para a construção

mecânica.

Aços-ferramentas.

Aços inoxidáveis.

Indústria química; talheres;

válvulas e peças para fornos.

Ferramentas de cortes.

Molibdênio Influência na estabilidade do

carboneto.

Alta dureza ao rubro.

Aumento da LRT.

Aumento da

temperabilidade.

Aços-ferramentas, Aço

cromo-níquel, substitui

W em aços rápidos.


Vanádio Inibe o crescimento grãos.

Forma carbonetos.

Maior resistência mecânica, tenacidade e temperab.

Resistência a fadiga e

abrasão.

Aços cromo-vanádio. Ferramentas de cortes.

Tungstênio Forma carbonetos duros.

Diminui a velocidade das

transformações.

Inibe crescimento dos grãos.

Aumento da dureza.

Resistência da resistência a

altas temperaturas.

Aços rápidos.

Aços-ferramentas.

Ferramentas de corte.

Cobalto. Forma carboneto.

(fracamente).

Aumento da dureza.

Resistência à tração.

Resistência à corrosão.

Resistência à erosão.

Aços rápidos.

Aços ferramenta.


Silício. Auxilia na desoxidação.

Auxilia na grafitização.

Aumenta a fluidez.

Resistência a temperaturas

elevadas.

Melhora temperab./ LRT.

Aços alto carbono.

Aços para a fundição

em areia.

Peças fundidas.


• A introdução de outros elementos de liga nos aços

carbono é feita quando se deseja um ou diversos dos

seguintes efeitos: – aumentar a dureza e a resistência mecânica;

– conferir resistência uniforme através de toda a seção em peças de

grandes dimensões;

– diminuir o peso (conseqüência do aumento da resistência) de modo a

reduzir a inércia de uma parte móvel;

– conferir resistência à corrosão;

– aumentar a resistência ao calor;

– aumentar a resistência ao desgaste;

– aumentar a capacidade de corte;

– melhorar as propriedades elétricas e magnéticas

Aplicações dos Aços Liga


• Cobre e ligas

• Latões

• Bronzes

• Alumínio

• Outros: Magnésio e Titânio

1.2 - Ligas Não Ferrosas


Metais Não-Ferrosas • Por quê?

– Apesar da diversidade de propriedades das ligas ferrosas,

facilidade de produção e baixo custo, elas ainda apresentam

limitações:

• Alta densidade, baixa condutividade elétrica, corrosão.

• Diversidade

– Existem ligas de uma enorme variedade de metais.

– Nós vamos descrever algumas apenas

• Cobre, Alumínio, Magnésio, Titânio, refratários, super-

ligas.


– Metais e ligas metálicas isentas de ferro, ou onde o

ferro entra em pequena quantidade.

– Características genéricas :

• Resistência à corrosão

• Preço bastante elevado

• Baixa dureza e alta ductilidade

• Condutibilidade elétrica e térmica

• Menor resistência à altas temperaturas que o aço

Metais Não-Ferrosas


Cobre e ligas O cobre apresenta uma qualidade única como material de engenharia:

Combina boa resistência à corrosão com elevada condutividade elétrica e

térmica, e a resistência mecânica, obtida através da adição de outros metais.

O cobre e suas ligas são quase sempre catódicos em relação a outros materiais

estruturais como o aço carbono e o alumínio.

O cobre resiste a: água do mar;

água doce, fria ou quente;

H2SO4, ácido acético e outros ácidos não oxidantes, desde que diluídos e não

aerados;

exposição à atmosfera.


• O cobre não resiste a:

– ácidos oxidantes (HNO3, H2SO4 quente concentrado e ácidos não oxidantes aerados);

– NH4OH mais oxigênio. Este meio provoca corrosão sob tensão;

– águas e soluções aquosas aeradas e com alta velocidade;

– sais oxidantes de metais pesados, como FeCl3 e Fe2(SO4)3;

– H2S e alguns compostos de enxofre.

Cobre e ligas


• Classificação:

1) Cobre comercial;

2) Latões: ligas de cobre e zinco com até 40% de Zn;

3) Bronzes: ligas de cobre com Sn, Al, P e Si e outros elementos,

contendo 85 a 95% de cobre;

4) Cobre-níquel.

Cobre e ligas


Cobre comercial

• Contém pelo menos 98% de Cobre

• Temperatura limite de utilização 200°C

– forte redução da resistência mecânica

– transformações metalúrgicas

• Não apresenta temperatura de transição dúctil-frágil

• Difícil soldabilidade

– alto coeficiente de troca térmica

– requer pré-aquecimento para a soldagem

• Material bastante estável (mesmo grupo da Ag e Au)

– excelente resistência à corrosão.


• O emprego do cobre em equipamentos de processo é

atualmente muito reduzido, devido ao custo elevado e também

à sua baixa resistência mecânica.

Cobre comercial

Cobre comercial


Latões (Cu/Zn) Ligas de cobre com até 40% de Zn e pequenas

quantidade de Al, Sn, Fe e outros elementos.

• Propriedades que se alteram com a adição do Zn:

– resistência mecânica (melhora até um limite de 30% de Zn);

– custo (reduz com a adição de Zn);

– resistência à corrosão (diminui).

• Os latões com mais de 15% de Zn podem sofrer dezinficação

(corrosão seletiva).

– migração do Zn;

– a liga fica esponjosa;

• O limite de temperatura para o latão é de 200°C


Dezinficação - Latões • Eliminação seletiva do Zn;

• Latões com mais de 15% de Zn;

• Ocorre na presença da água com muito O2 ou CO2

dissolvido ou soluções acidas;

• Inibido pela adição de antimônio (Sb) ou estanho (Sn);


• Aplicações:

– Tubos para trocadores de calor;

– Válvulas de pequeno diâmetro, peças internas em válvulas

grandes, para baixa pressão e temperatura moderada, com ar,

vapor e águas em geral.

Latões


Bronzes (Cu/Sn) Ligas de cobre com Sn, Al, P, Si e outros elementos, contendo 85

a 95% de Cobre.

• Resistência à corrosão semelhante à do cobre comercial;

• Resistência mecânica e à temperatura são melhores que a do cobre

comercial:

– Limite superior de temperatura de trabalho 370°C (alguns

tipos);

– Limite inferior -200°C (mesma do cobre comercial).

• A adição de 4 a 10% de Al melhora muito a resistência mecânica, a

resistência à temperatura e também à oxidação;

• A adição de Sn aumenta a resistência mecânica e a resistência à água

salgada em movimento.


Comparando aos latões, os bronzes:

• São ligas de alto preço;

• Tem melhores características mecânicas;

• Apresentam melhor trabalhabilidade e capacidade de

conformação;


• O bronze-silício tem melhor resistência à corrosão do que os bronzes de

alumínio, porém sua temperatura limite é de 100°C;

• Assim como o cobre está sujeito à corrosão sob tensão;

• Aplicações:

– construção de válvulas pequenas;

– para mecanismo interno de válvulas grandes;

– espelho para trocadores de calor.

Principais especificações de bronzes para equipamentos de processo

Bronzes


Tipos de Bronzes Comuns

• Bronzes para Laminação, Extrusão e Trefilação

– Utilizados no estado encruado;

– Boa resistência mecânica, à corrosão e à fadiga;

– Aplicação:

• Molas;

• Molas de contatos elétricos;

• Buchas;

• Pinos de segurança;


Tipos de Bronzes Comuns

• Bronzes para condutores

– Para materiais empregados em condutores elétricos, devem

possuir algumas características extras, como:

• Resistência mecânica, resistência à corrosão, ao desgaste e em

alguns casos à temperaturas elevadas quanto ao amolecimento;

– Cobre puro não possui estas características;

– Bronze com baixo teor de estanho para obter essas

propriedades mecânicas com o mínimo de sacrifício da

excelente condutividade do cobre;


ALUMÍNIO E SUAS LIGAS


O Elemento Alumínio

• Símbolo Químico: Al

• Número Atômico: 13

• Peso Atômico: 26,98

• Densidade: 2,7 g/cm3 (BAIXA DENSIDADE)

• Estado Físico: Sólido

• Ponto de Fusão: 933,7 K (660oC)

• Ponto de Ebulição: 2792,0 K (2519oC)


Densidade do Al


O Alumínio • Metal branco brilhante;

• Leve,Dúctil, Maleável;

• Sofre pouca influência do ar (Excelente resistência à corrosão, conferida

pela camada protetora de óxido-Al2O);

• É o metal mais abundante da crosta terrestre;

• Não é encontrado livre, sempre na forma de alumina (Al2O3);

• Processamento ainda caro, mas fácil reciclagem;

• Pode atingir resistência mecânica similar a alguns aços na forma de ligas (Obs: Al puro (99,99%) tem baixa resistência mecânica).


Propriedades Mecânicas, Químicas e Elétricas

• Leveza:

– Ex - no transporte, as embalagens

• Condutibilidade:

– Bom condutor elétrico e térmico

• Impermeabilidade e opacidade:

– Não permite a passagem de luz e umidade

• Alta relação resistência /peso:

– Bastante resistente em relação ao seu peso

• Beleza:

– Material nobre e limpo que não se deteriora com o tempo. Largamente

usado em confecções de peças para o lar.


• Resistência à corrosão:

– Facilita a conservação e a manutenção

• Moldabilidade e soldabilidade: – Altamente maleável e dúctil, possibilitando formas adequadas aos mais

variados projetos.

• Resistência e dureza: – Excelente comportamento mecânico

• Reciclabilidade: – Depois de muitos anos de vida útil, o alumínio pode ser reciclado

Propriedades Mecânicas, Químicas e Elétricas


Áreas aplicações alumínio e

produtos Os principais setores que consomem alumínio são:

• Bens de consumo

• Transporte

• Construção Civil

• Embalagens

• Indústria Elétrica

• Outros setores.


• Bens de consumo – Utensílios domésticos, cadeiras e mesas de praia e jardim,

bicicletas, escadas, objetos de decoração e etc...

• Transportes – Furgões, nas carrocerias abertas, nos tanques rodoviários,

nos vagões ferroviários, nas carrocerias de ônibus e na

substituição de peças mais pesadas por peças mais leves

no setor automotivo.

• Construção Civil – Revestimentos internos e externos, telhas, divisórias, forros e

em muitos detalhes de concepções arquitetônicas modernas.


produtos


• Embalagens – Fabricadas a partir de folhas e laminados, são empregadas

para os mais variados tipos de consumo, com o objetivo de

atender os mercados de produtos farmacêuticos, de

higiene e limpeza, produtos alimentícios e bebidas.

• Indústria Elétrica – Fios e cabos para utilização em linhas de transmissão de

grande porte e subtransmissão, cabos condutores para

distribuição aérea ou subterrânea e

instalações elétricas prediais e industriais.


produtos


• Outros setores

– Indústrias de transformação, química em geral, papeleira,

metalúrgica e petroquímica, para produção de refratários,

revestimentos cerâmicos, abrasivos, vidros, porcelanas,

massas de polimento, tintas, retardantes de chama,

isoladores elétricos, pastilhas de freio, corantes e etc.


produtos


A grande maioria dos produtos finais citados anteriormente

pertencentes as áreas de aplicação do alumínio advém

dos seguintes produtos semimanufaturados:

• Perfis extrudados

• Chapas e laminados

• Folhas

• Fios e Cabos

• Fundidos e Forjados

• Pastas e pó

• Aluminas especiais


produtos


Perfis extrudados Chapas e laminados Folhas Fios e Cabos

Fundidos e Forjados Pastas e pó Aluminas especiais


produtos



produtos


Características do Al • O Alumínio não é ferromagnético, possui elevadas

condutividades térmica e elétrica, e é não-tóxico;

• Resistência à oxidação progressiva, formação de camada de óxido protetor que impede a progressão da deterioração do material;

• O alumínio com tratamentos e/ou elementos de liga se torna resistente à corrosão em meios mais agressivos;

• O alumínio também encontra aplicações em peças decorativas, graças à sua superfície brilhante e refletiva.


Classificação do Alumínio • Conforme aplicação

– Ligas trabalhadas X X X X • Laminação;

• Forjamento;

– Ligas para fundição X X X . X

• Primeiro dígito: conforme o elemento de liga. O segundo e terceiro dígitos não possuem significado numérico, apenas identificam as

várias ligas no grupo.

O último dígito indica a forma do produto:

0 - indica peças fundidas;

1 - indica lingotes convencionais;

2 - indica lingotes com composições mais restritas que lingotes convencionais.


ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Série Composição Química Aplicações principais

1XXX Al comercialmente puro Contatos elétricos, Alclad

2XXX Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica

3XXX Al-Mn e Al-Mn-Mg Latas de bebidas. Panelas

4XXX Al-Si

Metal de adição para soldas.

Pistões forjados de motores

5XXX Al-Mg

Aplicações náuticas (navios e

barcos)

6XXX Al-Mg-Si

Perfis arquitetônicos.

Componentes automotivos

7XXX Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica

8XXX Outras ligas (Al-Li, Al-Fe...) Várias


ALUMÍNIO E SUAS LIGAS Série Composição Química Aplicações principais

1XX.X

Al comercialmente

puro Contatos elétricos

2XX.X Al-Cu e Al-Cu-Mg Indústria aeronáutica

3XX.X Al-Si-Mg e Al-Si-Cu Várias

4XX.X Al-Si Pistões fundidos de motores

5XX.X Al-Mg Aplicações náuticas (navios e barcos)

6XX.X

Não existe este

sistema Não especificado por não existir este sistema

7XX.X Al-Zn e Al-Zn-Mg Indústria aeronáutica

8XX.X Al-Sn Várias, para ligas com baixo ponto de fusão



Série 1xxx

Série 3xxx - Al-Mn

Série 4xxx - Al-Si

Série 5xxx - Al-Mg

Trabalho mecânico Fundição

Tratáveis

termicamente

Não tratáveis termicamente –

endurecimento por encruamento

Série 2xxx - Al-Cu

Série 6xxx - Al-Mg-Si

Série 7xxx - Al-Zn Série 1xx.x - Al-puro

Série 2xx.x - Al-Cu

Série 3xx.x - Al-Si-Mg

.

.

.


Tratamento térmico

• Alívio de tensões

• Recozimento para recristalização e homogeneização

• Solubilização

• Precipitação ou envelhecimento


Tratamento térmico • Alívio de tensões:

- T= 130-150°C

- Tempo depende da espessura da peça.

• Recozimento p/ recristalização e homogeneização:

- T= 300-400°C

- Recristalização: para ligas laminadas, extrudadas

- Homogeneização: peças fundidas (para difundir os microconstituintes).

• Solubilização:

- Dissolve as fases microscópicas.

- Temperatura= depende da liga.


Tratamento térmico

• Precipitação ou envelhecimento:

- Consiste na precipitação de outra fase, na forma de partículas extremamente pequenas e uniformemente distribuídas.

- Esta nova fase enrijece a liga.

- Após o envelhecimento o material terá adquirido máxima dureza e resistência.

- O envelhecimento pode ser natural ou artificial.


Tratamento térmico

Solubilização

Resfriamento

em água

Precipitação

Ou envelhecimento que

pode ser natural ou artificial

A ppt se dá a

T ambiente

A ppt se dá

acima da T

Ambiente por

reaquecimento


Alumínio comercialmente puro

• Série 1XXX

• Grau de Pureza 99,00%(1000) – 99,99%(1099)

• Elevada condutividade térmica e elétrica

• Baixa resistência mecânica

• Baixa resistência a corrosão

• Formação de uma camada de óxido de alumina


Ligas Al-Cu

• Série 2XXX

• Conhecidas como DURALUMÍNIO

• Elevada resistência a tração

• Tratamento térmico de envelhecimento aumenta mais a resistência

• Resistência a corrosão baixa

• Conformabilidade e Soldabilidade restrita

• Acréscimo do Mg aumenta o endurecimento.


Ligas Al-Mn

• Série 3XXX

• Não é endurecida por precipitação e sim por trabalho

mecânico

• Alta resistência mecânica

• Redução da Dutilidade e da susceptibilidade à corrosão

sobre tensão

• 3003 – Panelas

• 3004 – Latas para acondicionamento de bebidas


Ligas Al-Si

• Série 4XXX

• Utilizadas como liga de fundição

• Silício confere à liga um aumento da fluidez do alumínio

líquido, permitindo melhor o fluxo através do molde

• Reduz porosidade, contração no resfriamento

• Melhora soldabilidade

• Reduz usinabilidade.


Ligas Al-Mg

• Série 5XXX

• Melhor combinação entre resistência mecânica,

resistência a corrosão e ductilidade.

• Boa soldabilidade

• Usada em grande escala na Indústria Naval


Ligas Al-Mg-Si

• Série 6XXX

• Facilidade de Extrusão (Elevada Dutilidade)

• Endurecimento por precipitação

• Mais usada comercialmente

• Potencial de aplicação na indústria automotiva


Ligas Al-Zn

• Série 7XXX

• Endurecível por precipitação

• Níveis mais altos de resistência mecânica

• Baixa resistência a corrosão sobre tensão

• Principalmente usada na fabricação de aviões

• 7001 - maior resistência mecânica de todas as ligas.


Ligas Al-Sn; Al-Li; Al-Fe

• Série 8XXX

• Grupo que engloba as outras ligas não pertencentes às

ligas anteriores

• Al-Li: mais baixa densidade

• Al-Sn: grande resistência a fadiga e boa resistência a

corrosão


Ligas de Al para fundição: São ligas muito versáteis para fundição:

• Baixa viscosidade: > facilidade preencher molde;

• Baixa temperatura de fusão (uso de moldes metálicos);

• Elevado coeficiente de transferência de calor (ciclos de fundição

curtos);

• H2 tem solubilidade significativa em ligas de alumínio e seu teor

pode ser controlado pelos processos de desgaseificação;

• A maior parte das ligas de alumínio não apresenta tendências ao

fenômeno de trinca a quente;

• Não apresentam interações ou reações metal-molde bom

acabamento superficial após a fundição.


Ligas de Al para fundição:

• Ligas Al-Cu (série 200): resistência mecânica, boa usinabilidade, resistência à corrosão. Aplicações: peças estruturais, carcaças e pistões para motores diesel;

• Ligas Al-Si (série 300): 90% das peças fundidas em alumínio são da série 300. resistência à corrosão, boa soldabilidade, mas são de usinagem difícil.

Aplicações: coletores de admissão, cabeçotes e blocos de motor, pistões e rodas automotivas, peças estruturais para a industria aeroespacial, bombas e carcaças;

• Ligas Al-Mg (série 500): elevada resistência à corrosão e excelente usinabilidade. Aplicação: peças estruturais para a industria química, de alimentos e naval;

• Ligas Al-Zn (série 700): características semelhantes às ligas da série 500;

• Ligas Al-Sn (série 800): boa usinabilidade e boas propriedades anti-fricção. Aplicações: mancais, buchas e bronzinas.


Ligas de Al para fundição: • Ligas Al fundidas (acima de 660oC) tem alta solubilidade de H2.

No resfriamento, o H2 se segrega nas porções finais a serem

solidificadas porosidade interdendríticas (ruim para ductilidade

e fadiga).

• Degaseificação: a vácuo, ou borbulhamento de gás ativo (cloro),

borbulhamento gás inerte (Ar, N2)



Menor qtde de H2

dissolvido



Processo de fundição sob pressão

(fundição por injeção)

Ligas 380 e 413;

Pressões de 100 a 200 Kgf/cm2;

Alta velocidade de vazamento;



Processo de fundição em coquilha por gravidade •Produção seriada;

•Turbulência no vazamento;

•Reduzir H2, usar Sb para reduzir poros, usar ligas de pequeno intervalo solidificação;

•Ligas 319, 355, 356, 359 360 380 e 413;



Processo de fundição por molde de areia

Molde: areia (sílica) e ligantes (bentonita) ou resinas

sintéticas;



Processo de fundição em baixa pressão



Processo de fundição de precisão

(processo de cera perdida ou microfusão)

Molde: lama cerâmica, à base de

zirconita e sílica coloidal, e

material refratário particulado


Anodização

• Visa o aumento da película de oxido: Al2O3;

• Eletrólitos (ac. sulfúrico, oxálico, crômico) – Anodo: é a própria peça;

– Catodo: qualquer outro metal;

• Há reação do Al com o eletrólito a camada de óxido formada cresce do interior para o exterior;

• Com a formação desta camada de óxido, impermeável, na superfície da peça há um aumento da resistência à corrosão e também um aumento da resistência mecânica superficial.


Anodização • O objetivo da anodização é

melhorar a estética das peças, isolá-las de corrente elétrica e protegê-las da corrosão e de qualquer outro fator externo (ar salino, fumaças industriais, etc.) podendo ser fosca ou brilhante.

• A espessura da camada, varia em função do tempo de anodização:

Espessura Aplicação

11 a 15µm Urbana/rural

16 a 20µm litorânea

21 a 25µm Industrial/m

arítima


Temperatura

• Efeito da temperatura sobre o alumínio:

– a redução da temperatura leva a:

• aumento dos limites de resistência e de escoamento;

• ligeira redução no alongamento;

• a resistência ao impacto permanece praticamente inalterada até o

zero absoluto.

– o aumento da temperatura, por sua vez:

• provoca uma redução da resistência mecânica , não podendo ser

empregado para temperaturas acima de 150°C;

• em algumas ligas o limite de utilização é de 65°C.


Exemplos de aplicações do Al • Espuma Metálica

Usam catalisador (para criar bolhas) e temperatura do forno adequado;

Leve o suficiente para flutuar na água, mantendo as características de resistência e

elasticidade

Aplicação: incrementar a espessura dos tubos da carroceria de ônibus, recheando-os com

espuma metálica, para melhorar a segurança em caso de acidente por tombo.


Ligas de Magnésio

• Densidade: 1,7 g/cm3 (menor que do Al)

• Estrutura cristalina HC

• Baixo módulo: 45GPa;

• Deformação difícil (baixa deformação);

• Fabricação por fundição (ou def. a quente)

• Ponto Fusão: 651oC

• Aplicações: indústria aeronáutica, mísseis, substituição aos

plásticos de engenharia devido à rigidez e densidade

comparável, partes automóveis (volantes, colunas, rodas), etc.


Ligas de Titânio

• Densidade: 4,5 g/cm3;

• Ponto de Fusão alto: 1668ºC;

• Elevada rigidez: E=107GPa;

• LRT: 1.400MPa;

• Dúcteis, fácil forjamento, usinagem e resistente à corrosão;

• Limitação: reatividade à altas temperaturas (requer processo

especiais beneficiam., fusão e fundição);

• Aplicações: próteses, implantes metálicos, estruturas de

aeronaves, veículos espaciais.


• Metais refratários

– Nb, Mo, W, Ta.

– Altíssimo ponto de fusão (de 2468°C a 3410°C).

– Ligações atômicas extremamente fortes, alto módulo de

Young, resistência e dureza alta.

– Usados em filamentos de lâmpadas, cadinhos, eletrodos de

soldagem, etc...

• Super-ligas

– Ligas de Co, Ni ou Fe com Nb, Mo, W, Ta, Cr e Ti.

– Usados em turbinas de avião. Resistem a atmosferas

oxidantes a altas temperaturas.

Outras Ligas Não Ferrosas

2015.01 - 1ª aula de desenho de máquinas

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