Elementos org. de máquinas i parte 4

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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS I
AT-096
Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
Dr. Alan Sulato de Andrade
alansulato@ufpr.br
MATERIAIS METÁLICOS

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INTRODUÇÃO:
 Como visto anteriormente, existe uma grande
variedade de materiais que podem apresentar
propriedades interessantes para serem aplicados na
área de engenharia, porém a grande variedade de
materiais pode gerar algumas dúvidas para o
engenheiro iniciante.
INTRODUÇÃO:
 Na construção de componentes específicos ou
máquinas complexas é necessário a utilização de
alguns materiais, na grande maioria das vezes,
materiais metálicos, devido principalmente a suas
propriedades. Devemos entender que as
propriedades dos materiais podem definir tanto o
desempenho de um determinado componente
quanto o processo de fabricação do mesmo.

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INTRODUÇÃO:
 Assim, levando em consideração um número
extremamente grande de materiais metálicos
diferentes, contando ainda com suas variantes de
tratamento térmico e composição, podemos
perguntar: Como definir qual o melhor material para
um determinado fim? Alguns pontos a serem
considerados inevitavelmente serão em relação ao
custo, o tempo de vida ou durabilidade, a aparência
e a finalidade.
INTRODUÇÃO:
 Este documento mostrará de maneira resumida,
informações gerais e diretrizes para o engenheiro de
modo que ele possa conhecer quais são os
principais tipos de materiais metálicos que podem
ser empregados em uma dada situação do projeto.

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INTRODUÇÃO:
 Foi na Idade dos Metais, período que seguiu à Idade
da Pedra que homem começava a dominar, ainda
que de maneira rudimentar, a técnica da fundição
dos metais.
 Assim este teve condições de criar instrumentos
mais eficazes para o cultivo agrícola, exploração das
florestas e a prática da caça, além da influência
direta sobre disputas e guerras.
INTRODUÇÃO:
 O primeiro tipo de metal utilizado foi o cobre. Com o
passar dos anos o estanho também foi utilizado
como outro recurso na fabricação de armas e
utensílios. Com a junção desses dois metais, por
volta de 3000 a.C., houve o aparecimento do bronze.
 Só muito tempo depois é que se tem notícia da
descoberta do ferro. Manipulado por comunidades da
Ásia Menor, cerca de 1500 a.C., o ferro teve um lento
processo de propagação. Isso se deu porque as
técnicas de manipulação da liga de ferro eram de
difícil aprendizado.

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INTRODUÇÃO:
 O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem na
atualidade, com mais de 90% em peso da produção
mundial dos metais. A abundância deste mineral, o
custo relativamente baixo de produção e as múltiplas
propriedades físico-químicas que podem ser obtidas
com adição de outros elementos de liga são fatores
que dão a este metal uma extensa variedade de
aplicações.
INTRODUÇÃO:
 Alguns metais, como o cobre e alumínio por
exemplo, podem ser usados no estado quimicamente
quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro.
No uso prático, este metal está sempre ligado ao
carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da
ciência dos materiais e também na linguagem do dia-
a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como uma
liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros.

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INTRODUÇÃO:
 Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-
carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,0%,
contendo outros elementos residuais do processo de
produção e podendo conter outros elementos de liga
propositalmente adicionados. Se o aço não contém
estes últimos, é chamado especificamente de aço-
carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é a
designação genérica para ligas de ferro-carbono com
teores de carbono acima de 2,0%.
ESTRUTURA:
 Como os demais metais, se solidifica pela formação
de cristais, que vão crescendo a diferentes direções,
formando os denominados eixos de cristalização. A
partir de um eixo principal, crescem eixos
secundários, que por sua vez se desdobram em
novos eixos e assim por diante até que toda a massa
do metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixo
principal e secundários de um cristal é denominado
dendrita.

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ESTRUTURA:
Esquema estrutural de uma dentrita
ESTRUTURA:
 Quando duas dendritas se encontram, origina-se uma
superfície de contato e ao término do processo de
cristalização, formam cada uma as partículas que
compõem o metal, de modo que todos os metais, após
sua solidificação completa, são constituídos de
inúmeras partículas fundamentais, justapostas e
unidas.
Esquema demonstrando inúmeras partículas fundamentais justapostas

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ESTRUTURA:
União de partículas fundamentais
ESTRUTURA:
Estados de Alotropia ou polimorfismo: é a propriedade que certos metais
(como o ferro) apresentam ao possuírem reticulados cristalinos
diferentes conforme a temperatura.

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PRODUÇÃO:
 A usina siderúrgica é a empresa responsável pela
transformação do minério de ferro em aço, de maneira
que ele possa ser usado comercialmente. Este
processo tem o nome de Redução. Primeiramente, o
minério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO)
– é aquecido em fornos especiais (alto fornos), em
presença de carbono (sob a forma de coque ou
carvão vegetal) e de fundentes (que são adicionados
para auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, é
formada de materiais indesejáveis ao processo de
fabricação).
PRODUÇÃO:
 O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo o
teor de oxigênio da composição FeO. A partir disso,
obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de
3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após uma
análise química do ferro, em que se verificam os
teores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganês
entre outros elementos, o mesmo segue para uma
unidade da siderúrgica denominada aciaria, onde será
finalmente transformado em aço.

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PRODUÇÃO:
 O aço, por fim, será o resultado da descarbonatação
do ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste,
controlando-se o teor de carbono para no máximo
2,0%. O que temos então, é uma liga metálica
constituída basicamente de ferro e carbono, além de
certos elementos residuais resultantes de seu
processo de fabricação.
PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:
PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:
AÇO:
 Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanho
e uniformidade das partículas que o compõem e, é
claro, por sua composição química. Esta pode ser
alterada em função do interesse de sua aplicação
final, obtendo-se através da adição de determinados
elementos químicos, aços com diferentes graus de
resistência mecânica, soldabilidade, ductilidade,
resistência à corrosão, entre outros.

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AÇO:
 Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantes
são classificados em:
 Aço baixa liga.
 Aço alta liga.
AÇO:
 Dependendo do seu conteúdo em carbono os aços
são classificados em:
 Aço baixo em carbono.
 Aço médio em carbono.
 Aço alto em carbono.

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AÇO:
2,0
AÇO:
 Aço baixo em carbono. Contém menos de 0,25% de
carbono em peso. São utilizados em veículos,
tubulações, elementos estruturais e outros. Também
existem os aços de alta resistência com baixa liga de
carbono, entretanto, contêm outros elementos
fazendo parte da composição, até uns 10% em peso;
apresentam uma maior resistência mecânica e
podem ser trabalhados facilmente.

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AÇO:
 Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% de
carbono em peso. Para melhorar suas propriedades
são tratados termicamente. São mais resistentes que
os aços baixo em carbono, porém menos dúcteis,
sendo empregados em peças de engenharia que
requerem uma alta resistência mecânica e ao
desgaste.
AÇO:
 Aço alto em carbono. Entre 0,6% e 2,0% de carbono
em peso. São os mais resistentes, entretanto, os
menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para
que formem carbetos, por exemplo, formando o
carbeto de tungstênio. Estes carbetos são mais
duros, formando aços utilizados principalmente para
a fabricação de ferramentas.

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AÇO:
 De maneira geral, os aços possuem excelentes
propriedades mecânicas: resistem bem à tração, à
compressão, à flexão, e como é um material
homogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado,
estriado e suas propriedades podem ainda ser
modificadas por tratamentos térmicos ou químicos,
estes vistos mais adiante.
AÇO:

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FERRO FUNDIDO
 O ferro fundido é uma liga de ferro-carbono-silício, de
teores de carbono acima de 2,0%, essa quantidade
de carbono é superior à que pode ser retida em
solução sólida na austenita, desta forma, no ferro
fundido há carbono parcialmente livre. O carbono
livre se apresenta na forma de veios ou lamelas de
grafita.
FERRO FUNDIDO
 Dentro da denominação geral de "ferro fundido",
podem ser distinguidos os seguintes tipos de liga:
 Ferro fundido cinzento,
 Ferro fundido branco,
 Ferro fundido misto,
 Ferro fundido maleável,
 Ferro fundido dúctil ou nodular.

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FERRO FUNDIDO
Misto
FERRO FUNDIDO CINZENTO
 Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma
coloração escura (onde a sua denominação). Essa
fratura é caracterizada por apresentar como
elementos de liga fundamentais o carbono e o silício.
Uma parcela relativamente grande do carbono está
no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no
estado combinado (Fe3C).

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FERRO FUNDIDO CINZENTO
 A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos
está compreendida entre os seguintes valores:
Carbono: 2,5 a 4,0%; Silício: 1,2 a 3,0%; Manganês:
0,3 a 1,0%; Fósforo: 0,1 a 1,0%; Enxofre: 0,05 a
0,25%.
Exemplo de dispositivos construídos com ferro fundido cinzento
PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO
 Nesse tipo de material, a resistência mecânica esta
associada ao tamanho da peça. Para uma dada
concentração de carbono total e silício há uma
tendência de modificação da resistência mecânica.
Em peças finas tende haver uma maior concentração
de carbono e silício. Em peças espessas, a quantidade
desses elementos dever ser reduzida sob a pena de
queda da dureza e do limite de resistência à tração.

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APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO
 Possuí aplicações diversas pelas suas
características.
Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicados
para: bases de máquinas, carcaças metálicas,
elementos estruturais de máquinas operatrizes como
barramentos, cabeçotes, mesas, etc;
 Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados:
Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunas
de máquinas, buchas grandes, blocos de motores, etc;

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 Outras aplicações do material:
confecção de anéis de pistão, produtos sanitários,
tampas de poços de inspeção, tubos, conexões,
carcaças de compressores, rotores, pistões
hidráulicos, eixos de comando
FERRO FUNDIDO BRANCO
 Nesse tipo de material, a fratura apresenta uma
coloração clara, essa coloração é característica do fato
de que o carbono se encontra quase que inteiramente
combinado na forma de Fe3C (cementita). Isso ocorre
devido as condições de fabricação e ao menor teor de
silício.

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PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO BRANCO
 Suas características principais são a elevada dureza e
resistência ao desgaste e uma baixa usinabilidade
(mesmo com as melhores condições e materiais de
corte).
APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO
 Para cada tipo de aplicação há composições típicas
para o ferro fundido branco, isto devido a suas
características mecânicas. O ferro fundido branco é
recomendado para as seguintes aplicações:
revestimentos de moinhos; bolas para moinhos de
bola; cilindros para laminação de borracha, vidro,
linóleo, plásticos e metais; rodas de vagões; peças
para equipamentos para britamento de minérios,
moagem de cimento;

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APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO
FERRO FUNDIDO MISTO
 Consiste em uma mistura dos ferros cinzento e
branco, visando melhorar alguma característica,
possuindo assim composição bem variada.

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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
 O ferro fundido maleável é considerado um material
intermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento.
Apresenta as características fundamentais do ferro
fundido aliada às propriedades mecânicas de aços de
baixo e médio carbono e com uma ductibilidade
razoável. A resistência à corrosão é muito boa devido
às características superficiais que se originam nos
processos de maleabilização
FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
 Processos de maleabilizacão
Há dois processos de maleabilizacão do ferro fundido
branco. O primeiro é um processo de descarbonelação
e que origina um ferro fundido maleável de núcleo
branco (desenvolvido na Europa).
O segundo é o processo de maleabilizacão por
grafitização e que origina o ferro fundido maleável de
núcleo preto (desenvolvido na EUA).

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
 O ferro fundido maleável apresenta um vasto campo
de aplicação nas industrias: mecânica, elétrica,
automobilística, de materiais de construção,
equipamentos pesados. É muito utilizado na confecção
de peças como: conexões para tubulações hidráulicas,
conexões de linhas de transmissão elétrica, correntes,
suportes de molas, caixas de direção e de diferencial,
cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freios e
de embreagens, colares de tratores. caixas de
engrenagens, etc.
FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR
 É caracterizado por apresentar carbono livre na forma
de grafita esferoidal. Grafita esferoidal o que confere
ao material uma boa ductibilidade. Esse tipo de
estrutura é obtido com um tratamento realizado ainda
no estado líquido, adicionando-se ligas contendo
magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio e bário.
O ferro fundido de origem possui uma composição
semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com
baixo teor de liga.

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 Processo de nodulizacão
Nesse processo, o magnésio age como inibidor da
grafitização, de curta duração, de modo que o ferro
fundido solidifica inicialmente formando cementita.
Quando cessa a ação do magnésio, a cementita
começa a decompor-se e origina uma grafita que se
desenvolve em todas as direções, adquirindo uma
forma próxima da esférica.
 Processo de nodulizacão
Um tratamento térmico de recozimento e normalização
decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita
esferoidal. O recozimento também alivia as tensões e
a normalização produz melhores propriedades
mecânicas.

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU
NODULAR
 As aplicações típicas desse tipo de aço são:
compressores; bielas. peças que necessitem de
resistência ao choque como: virabrequins, mancais;
polias; rodas dentadas; engates: sapatas; tambores de
freios.
AÇÃO DOS LIGANTES
 Principais elementos de liga:
 Cobre (até 3%)
 Cromo
 Fósforo
 Molibdênio
 Níquel
 Vanádio

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AÇÃO DOS LIGANTES
 Aplicações:
 Resistentes à corrosão:
 Alto Si
 Alto Cr
 Alto Ni
 Alto Si - usado como recipiente para ácidos
corrosivos
 Alto Cr - apresenta excepcional resistência ao ácido
nítrico e ácidos oxidando em geral e à atmosférica.
 Alto Ni - resistentes ao calor:
RESUMINDO
 Até 1% C – Aços mais usados na indústria
 1 a 1,5% C – Aços para ferramentas especiais
 1,5 a 2,5% C – Produtos pouco utilizados (fins
específicos)
 2,5 a 3,8% C – Ferros fundidos mais utilizados
 3,8 a 6,7% C – Ferros fundidos pouco usados
(especiais)

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RESUMINDO
 Ferro fundido cinza menos duros e mais frágeis do que
Ferro fundido branco
 Ferro fundido cinza pode sofrer acabamento posterior
 Ferro fundido branco pode sofrer acabamento
posterior com ferramentas especiais e com dificuldade
 Ferro fundido cinzento tem boa resistência à corrosão
 Ferro fundido cinzento tem capacidade de amortecer
vibrações
 Ferro fundido cinzentos são mais usados que o Ferro
fundido branco
 Ferro fundido branco é mais usado em peças que
exijam alta dureza e resistência ao desgaste.
ALUMÍNIO
 A principal vantagem do alumínio está no fato de ele
não enferrujar, e, portanto, estar livre de problemas
com a umidade e maresia. É leve e tem boas
propriedades mecânicas. A têmpera é primordial para
a qualidade das peças. Uma desvantagem é quanto a
dificuldade de soldagem, e quando soldada, perde
50% de suas propriedades mecânicas, pois ocorre a
destempera.

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ALUMÍNIO
 O alumínio funde a uma temperatura em torno de
660°C e em condutibilidade elétrica e térmica
excelente. Forma ligas importantes com diversos
metais, nas quais se podem conseguir diversas
propriedades. Ex: duralumínio (alumínio + cobre +
magnésio) de grande resistência mecânica e leveza.
ALUMÍNIO
 Sua densidade é aproximadamente de um terço da do
aço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e apto
para a mecanização e para a fundição, além de ter
uma excelente resistência à corrosão e durabilidade
devido à camada protetora de óxido.

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ALUMÍNIO
COBRE
 É um metal de cor avermelhada, dúctil e maleável,
embora duro e tenaz. Pode ser reduzido a lâminas e
fios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamente
de uma camada de óxido e carbonato. Tem grande
condutibilidade térmica e elétrica, densidade entre 8,6
e 8,95 Kg/m³.

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COBRE
 Bom condutor de eletricidade e de calor. Sua
resistência e módulo de deformação são menores do
que o dos aços, mas as suas propriedades o tornam
indicado para certos usos como condutores elétricos,
tubos para trocadores de calor, peças que necessitam
grande ductibilidade e grande tenacidade. Largamente
empregado em instalações elétricas como condutor;
em instalações de água, esgotos, gás, pluviais,
coberturas, forrações, ornatos, etc.
COBRE

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EXERCÍCIO
Desafio 5:
Faça um levantamento dos principais materiais
metálicos necessários na construção de câmaras de
secagem utilizadas na industria madeireira.
Faça um croqui detalhando do sistema proposto além
de explicar as propriedades que justificam a escolha
dos materiais.

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