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TECNOLOGIA MECÂNICA

Prof. Engº Marcos A. Gasparin dos SantosEmail: m.gasparin@globo.comEmail: m.gasparin@globo.com

Departamento de Mecânica/MecatrônicaCentro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza

– ETEC JORGE STREETAULA-02

TECNOLOGIA MECÂNICA

Ítens Conteúdo – Bases Tecnológicas

1 Materiais: Classificação e Propriedades

2 Materiais Metálicos: Ferrosos e Não Ferrosos

3 Aços e Ferros Fundidos: Obtenção e Classificação

4 Aço Liga e Aços Especiais

5 Materiais Não Metálicos: Polímeros, Cerâmicos e Compósitos

6 Tratamentos Superficiais

7 Processos de Decapagem: Mecânica, Química e Eletrolítica

8 Processos Galvânicos: Pintura Líquida, Pintura em Pó, Fosfatização e Zincagema Fogo

9 Tratamento Térmico: Normalização, Recozimento, Têmpera e Revenimento

10 Tratamento Termoquímico: Carbonitretação, Nitretação e Cementação

11 Metalografia: Macrografia e Micrografia

TECNOLOGIA MECÂNICA

Ítens Conteúdo – Bases Tecnológicas

12 Processos de Fundição: Introdução, Definição, Tipos de Processos ( Fundição em Areia, Fundição em Casca, Fundição em Moldes Permanentes, Fundição Centrífuga e Fundição de Precisão ou Cera Perdida)

13 Processos de Conformação Mecânica: Processos Primários, Características de Trabalho a Quente, Característica de Trabalho a Frio. Processos (Laminação, Trabalho a Quente, Característica de Trabalho a Frio. Processos (Laminação, Trefilação, Forjamento, Extrusão, Estamapagem)

14 Ordenamento Técnico: Normas Técnicas e Material de apoio

TECNOLOGIA MECÂNICA

Data Cronograma de Aula 1º Semestre de 2016

11/02 Apresentação do Professor e da Disciplina e Base tecnológica, Metodologia de Ensino, trabalhos, prazos e etc.

18/02 Materiais: Classificação e propriedades

25/02 Materiais: Classificação e propriedades

03/03 Materiais: Ferrosos e Não Ferrosos03/03 Materiais: Ferrosos e Não Ferrosos

10/03 Materiais: Ferrosos e Não Ferrosos

17/03 Materiais: Ferrosos e Não Ferrosos

24/03 Aços e Ferros Fundidos: Obtenção e Classificação

31/03 Aços e Ferros Fundidos: Obtenção e Classificação

07/04 Aços e Ferros Fundidos: Obtenção e Classificação

14/04 Prova Dissertativa

28/04 Aços Liga e Aços Especiais

TECNOLOGIA MECÂNICA

Data Cronograma de Aula 1º Semestre de 2016

05/05 Aços Ligas e Aços Especiais

12/05 Materiais Não Metálicos: Polímeros, Cerâmicos e Compósitos

19/05 Materiais Não Metálicos: Polímeros, Cerâmicos e Compósitos

02/06 Tratamentos Superficiais

09/06 Decapagem: Mecânica, Química e Eletrolítica

16/06 Prova Dissertativa

23/06 Resultados e Recuperação

27-30/06 Rematricula

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Metodologia de Aula

• Aulas serão expositivas através de projetor;

• Material será disponibilizado para os alunos através da sala virtual.através da sala virtual.

• Teremos um trabalho de fim de curso, onde a nota será a média do conteúdo do trabalho, apresentação e seção tira dúvidas.

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Bibliografia:

1) Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais – 1ª Ed Rio de Janeiro – PLT – 2008 – Autor: Willian D. Callister Jr.;– Autor: Willian D. Callister Jr.;

2) Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais - 4ª Ed Rio de Janeiro – Ed. Campus – Elieser Van Vlack – 2003.

3) Apostila Centro Paula Souza – ETEC Cel. Fernando Febeliano da Costa.

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3) Tecnologia Mecânica – Processos de Fabricação e Tratamento – Vicente Chiaverini– Ed. MacGraw Hill – 2ª Edição.

4) Metalografia dos Produtos Siderúrgicos 4) Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comum – Hubertus Colpaert – Ed. Edgard Blücher Ltda – 3ª Edição.

5) Aços e Ferros Fundidos – Vicente Chiaverini –Ed. ABM.

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2) PROPRIEDADES FÍSICA DOS MATERIAIS

2.1) INTRODUÇÃO

• Muitos materiais quando em serviço, estão sujeitos a cargas e forças, únicas e /ou cíclicas.sujeitos a cargas e forças, únicas e /ou cíclicas.

• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada

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• Algumas importantes propriedades mecânicas:

a) A dureza;

b) A ductilidade;b) A ductilidade;

c) A resistência;

d) A rigidez.

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• As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas através da realização de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço.fielmente possível as condições de serviço.

• Dentre os fatores dos experimentos, temos:

a) A natureza da carga aplicada;

b) A duração da aplicação da carga;

c) Condições ambientais do experimento.

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• A carga aplicada pode ser:a) De tração;b) De compressão;c) De cisalhamento.

• A magnitude de carga pode ser constante ao longo do tempo ou flutuar continuamente.

• O tempo de aplicação pode ser de uma fração de segundos, ou pode estender por longos períodos.

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• A Engenharia Estrutural determina:

a) Determina as tensões envolvidas;

b) Determina a distribuição de tensões nos materiais.

materiais.

• A Engenharia de Materiais ou Metalúrgica tem sua atuação em:

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a) Estão preocupados com a produção;

b) E a fabricação de materiais para atender os requisitos ou exigências dos serviços previstos.previstos.

• Isso envolve a compreensão das relações entre as microestruturas dos materiais e suas propriedades mecânicas.

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2.2) CONCEITO DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO

• Se uma carga é estática ou se ela se altera de forma lenta ao longo do tempo e é aplicada de forma uniforme sobre uma seção reta ou na forma uniforme sobre uma seção reta ou na superfície de uma peça, o comportamento mecânico pode ser verificado por um ensaio de Tensão x Deformação, em uma temperatura ambiente.

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2.2.1) Tipos de Aplicação da Carga

• Temos cargas de:

a) Tração;

b) Compressão;b) Compressão;

c) Cisalhamento;

d) Torção

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2.2.2) Ensaio de Tração

• É o ensaio mais comum, pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em projetos.materiais que são importantes em projetos.

• O objetivo do ensaio de tração é permitir medir satisfatoriamente a resistência do material.

• A uniformidade da deformação permite ainda obter medições precisas da variação da deformação em função da tensão aplicada.

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2.2.2.1) TENSÃO E DEFORMAÇÃO NA TRAÇÃO

• A definição de Tensão é genericamente como a resistência interna de um corpo de prova a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área(Kgf/mm²).

área(Kgf/mm²).

• A definição de Deformação é definida como a variação de uma dimensão qualquer desse corpo de prova(CP) por unidade da mesma dimensão, quando este CP é submetido a um esforço qualquer.

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A) Tensão:• Considerando-se uma

barra cilíndrica que sofre um esforço de tração, figura 6 ao lado.lado.

• Onde:A ou S: área da secção transversal;Fn ou Q: força de tração ou força normal de tração;σ – Tensão normal

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• A força de tração é aplicada a secção transversal da barra e coincidente com seu eixo seu eixo longitudinal, a tensão média de tração “σ”, produzida na barra é dada por:

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• Considerando-se Tensão média porque a tensão não é completamente uniforme sobre a área “So”, ou seja, cada elemento longitudinal na barra não sofre a mesma deformação.deformação.

• A anisotropia inerente aos grãos de um metal poli-cristalino impede uma completa uniformidade da tensão num tamanho macroscópico

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• A própria estrutura interna do metal ou liga metálica produz uma união não uniformidade em escala microscópica.

B) Deformação:B) Deformação:

• Com a aplicação da tensão“σ”, a barra sofre uma deformação “ε”.

• A carga “Q”, produz um aumento da distância “Lo”, de um valor, ∆L.

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• A deformação média é dada por:

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2.2.2.2) PROPRIEDADES MECÂNICAS OBTIDAS PELO ENSAIO DE TRAÇÃO

• Quando um corpo de prova metálico é submetido a um ensaio de tração, pode-se

submetido a um ensaio de tração, pode-se construir um gráfico tensão x deformação, pelas medidas diretas da carga ou tensão e da deformação, que crescem continuamente até quase o fim do ensaio.

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2.2.2.3) LEI DE HOOKE

• Percebe-se que o diagrama inicialmente é linear e é representado por:

σ = E . ε onde:σ = E . ε onde:

σ = tensão

E = Módulo de Elasticidade

ε = deformação

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• A linearidade do diagrama termina num ponto “A”, denominado Limite Elástico, definido como a maior tensão que o material pode suportar, sem deixar qualquer deformação permanente quando deixar qualquer deformação permanente quando o material é descarregado.

• Admite-se que uma deformação residual de

0,001% seja o limite da Zona Elástica, essas considerações são aplicáveis aos metais Dúcteis ou moles.

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• Metais extremamente duros, podem romper dentro da Zona Elástica, mas aí o conceito deixa de ser importante.

• Terminada a Zona Elástica, atinge-se a Zona • Terminada a Zona Elástica, atinge-se a Zona Plástica, onde a tensão e a deformação não são mais relacionadas por uma constante de proporcionalidade, e descarregamento da carga, o material fica com uma deformação permanente ou residual.

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• O início da plasticidade é verificado em vários metais e ligas dúcteis, como por exemplo o Aço de Baixo Carbono, pelo fenômeno de escoamento.

• O escoamento é um tipo de transição heterogênea e localizada, caracterizado por um aumento relativamente grande da deformação com variação pequena da tensão durante a sua maior parte.

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• Dependendo do tipo de material, o fenômeno de escoamento não é perceptível ou nítido no ensaio; percebe-se por uma oscilação ou uma parada do ponteiro da máquina(mostrador parada do ponteiro da máquina(mostrador analógico) durante toda a duração do fenômeno.

• Limite de Escoamento é dado pela expressão: (σe) = Qe/So, isto em Kgf/mm².

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• Terminado o escoamento, o metal entra na Zona Plástica e o ensaio prossegue até atingir a tensão máxima suportada pelo metal, que caracteriza o final da Zona Elástica.caracteriza o final da Zona Elástica.

• Assim temos, o Limite de Resistência (σr), do metal e é dado pela expressão:

(σr) = Qr/So, isto em Kgf/mm².

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• Após atingir a carga máxima “Qr”, o ensaio entra na fase de ruptura do material, caracterizado pelo fenômeno de estricção, que é a diminuição da secção transversal do corpo é a diminuição da secção transversal do corpo de prova, numa certa região do mesmo.

• Quanto mais mole é o material, mais estreita se torna a secção, onde é a região que ocorre a ruptura do material, finalizando o ensaio.

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• Durante está fase, a deformação torna-se não uniforme e a força deixa de agir unicamente na direção normal à secção transversal do corpo de prova.

• Importante salientar que os equipamentos de ensaio à tração fornecem gráficos de carga –deformação; como os limites de tensão são baseados na secção transversal inicial do corpo de prova (So).

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• De modo que o gráfico tensão-deformação pode ser substituído pelo gráfico carga-deformação, sem que a curva seja alterada, Q = σ.So .Q = σ.So .

• Alongamento, é outra propriedade mecânica que é determinada pelo ensaio de tração, que são o Alongamento total do corpo de prova, que é calculado pela expressão:

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• A Estricção é outra propriedade mecânica, que é a diminuição da secção transversal do corpo de prova após a ruptura.

• A estricção é calculada pela expressão:

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• Há outras propriedades mecânicas que podem ser determinadas pelo ensaio de tração, como:

a) Limite Elástico;a) Limite Elástico;

b) Limite de proporcionalidade;

c) Etc.

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2.2.2.4) Corpo de Prova

• Os ensaios de tração são feitos em corpos de prova normalizados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT, e tem o método na de Normas Técnicas ABNT, e tem o método na MB4, onde são indicados os corpos de provas com uma forma e dimensões para cada caso.

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• Um corpo de prova pode ser de:

a) Secção Circular;

b) Secção Retangular.

• Dependendo da forma e o tamanho do • Dependendo da forma e o tamanho do produto acabado.

• Corpos de prova de secção retangular podem ser de: Chapas, Lâminas e placas.

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• Normalmente, utiliza a espessura da chapa, lâmina ou placa.

• Corpos de prova de secção circular serão feitos se o produto acabado for de secção feitos se o produto acabado for de secção circular ou irregular, ou produzidos por fundição, ou ainda que tenham espessura grande que exija um esforço muito grande para rompê-lo.

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• No caso de peças fundidas, costumas-se fundir um tarugo anexo ao produto fundido, para que dele seja usinado um corpo de prova.

• Se o produto acabado for: Barra, fio, cabo e etc.; um pedaço deste poderá ser ensaiado um pedaço deste poderá ser ensaiado diretamente sem a necessidade de retirar um corpo de prova especial.

• Para aços de construção civil com nervuras, deve-se determinar a área “So”, utilizando a densidade do aço (7,85 kgf/mm²) (Densidade=massa/Volume).

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• Produtos compostos como:

�Cabos;

�Correntes;

�Cordoalhas;�Cordoalhas;

�Etc.

• Não são necessário usinar o corpo de prova, mas deve considerar as especificações de cada produto

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• Materiais soldados, podem retirar o corpo de prova com a solda no meio, mas o único valor a ser registrado é o de ruptura para avaliar a resistência da solda.resistência da solda.

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2.2.2.5) Módulo de Elasticidade(E)

• O módulo de Elasticidade é uma constante para cada tipo de metal ou Liga metálica.

• O módulo de Elasticidade é a medida da • O módulo de Elasticidade é a medida da rigidez do material; quanto maior o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígido será o metal ou Liga Metálica.

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• Rigidez do Aço = 3 (três) vezes maior que a rigidez da Liga de Alumínio.

• O módulo de Elasticidade é determinado pelas forças de ligação entre átomos de um metal e como estás forças são constantes para cada como estás forças são constantes para cada estrutura que apresente o metal.

• O valor de “E” é afetado por:�Elementos de liga;�Tratamentos Térmicos;�Trabalhos a Frio ou conformação mecânica a frio.

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• Que alteram a estrutura metálica do metal.

• O módulo de Elasticidade é inversamente

proporcional a temperatura, ou seja, o aumento da Temperatura diminui o valor do aumento da Temperatura diminui o valor do Módulo de Elasticidade, a figura a seguir mostra a influência.

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• Se a Lei de Hooke diz:σ = E . ε onde:σ = tensãoE = Módulo de Elasticidadeε = deformaçãoε = deformação

• Portanto, podemos obter o módulo de Elasticidade, como segue:σ = E . ε => E= σ / ε, onde: σ=Carga/áreaE= Q/ ε . So.

• Na figura 4 a seguir E=tgѲ= σ / ε

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• Substituindo a formula de cálculo deformação e tomando-se que ∆L=0,1%Lo, termos uma formula final de cálculo do módulo de elasticidade de:

E = 1000 . Q/SoE = 1000 . Q/So

• O ∆L=0,1%Lo representa a metade da distância tomada para calcular o limite de escoamento convencional de 0,2%, simplificando as operações de Gráficos e de cálculos numéricos.

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2.2.2.6) Limite de Escoamento

• Quando um projeto requer um metal dúctil, onde a deformação plástica deve ser evitada, o limite de escoamento é o critério adotado o limite de escoamento é o critério adotado para resistência dos materiais.

• Para aplicações estruturais, desde as cargas sejam estáticas, as tensões de trabalho são geralmente baseadas no valor do limite de escoamento.

TECNOLOGIA MECÂNICA• O escoamento é um tipo de transição

heterogênea e localizada entre a deformação elástica e plástica.

• Temos um limite de escoamento inferior e superior, que não são constantes para um determinado material, mas dependem de determinado material, mas dependem de diversos fatores, como segue:

�Geometria e condições do corpo de prova;�Do método de Ensaio;�Da Velocidade da deformação;�Da característica da máquina de ensaio

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• Portanto, podemos calcular o Limite de escoamento através da formula:

(σe) = Qe/So, isto em Kgf/mm².

• Quanto maior for a ductilidade do metal e • Quanto maior for a ductilidade do metal e quanto mais fina for a granulação, maior será o alongamento do escoamento.

• Assim a deformação plástica no escoamento ocorre pela propagação das bandas que varre as regiões escoadas.

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2.2.2.7) Resiliência e o Coeficiente de Poisson

• A resiliência é a capacidade de um metal absorver energia quando deformado elasticamente, isto é, dentro da zona elástica, e liberá-la quando descarregado a carga aplicada.descarregado a carga aplicada.

• A sua medida é feita pelo módulo de resiliência, que é a energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar o metal da origem até a tensão do limite de Proporcionalidade.

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• Módulo de Resiliência: (Ur)= σp. εp/2 , substituindo ε= σp/E, teremos:

Ur= σp²/2E (Kgf/mm³)

• O Coeficiente de Poisson(γ) mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicada.

• A maioria dos metais tem (γ) na faixa de 0,25-0,35.

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• O coeficiente de Poisson é definido por:

γ=ε’/ε, onde:

ε’=deformação de compressão lateral

ε= deformação da direção da tensão.ε= deformação da direção da tensão.

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2.2.2.8) Encruamento

• A zona plástica caracteriza –se pelo endurecimento por deformação a frio, ou seja, pelo encruamento do metal.pelo encruamento do metal.

• Quanto mais o metal é deformado, mais ele se torna resistente.

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2.2.2.9) Limite de Resistência

• O limite de resistência é calculado pela carga máxima atingida no ensaio de tração.

• O limite de resistência é influenciado pela • O limite de resistência é influenciado pela anisotropia de metais trabalhados mecanicamente.

• Calculado por: (σr) = Qr/So, isto em Kgf/mm².

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2.3) Ensaio de Dureza

2.3.1) Introdução

• É um ensaio largamente utilizado na especificação de materiais, nos estudos e especificação de materiais, nos estudos e pesquisas mecânicas e metalúrgicas e na comparação de diversos materiais.

• Para Metalurgistas, dureza significa a resistência à deformação plástica permanente

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• Para os Engenheiros Mecânicos, a dureza significa a resistência à penetração de um material duro no outro.

• Para Mineralogista, é a resistência ao risco.• Para Mineralogista, é a resistência ao risco.

• Pode-se dividir o ensaio de dureza em 3(três) tipos de maneira com que o ensaio é conduzido:

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a) Por Penetração temos:

� Dureza Brinell;

� Dureza Rockwell;

� Dureza Vickers;� Dureza Vickers;

� Dureza Knoop;

� Dureza Meyer.

b) Por Choque temos:

� Dureza Shore.

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c) Por Risco, temos a escala Mohs(1822), que consiste em uma tabela de 10(dez) minerais padrão arranjados na ordem crescente da possibilidade de ser riscado.possibilidade de ser riscado.

• A dureza por penetração é largamente usado nas Indústrias.

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a) Dureza por penetração:

a.1) Dureza Brinell: consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro “D”, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal através de uma carga “Q”, durante um tempo “t”.de uma carga “Q”, durante um tempo “t”.

• Essa compressão provoca um impressão permanente no metal com um formato esférico, tendo um diâmetro “d”, o qual é medido por intermédio de um micrômetro óptico( microscópio ou lupa graduada) depois de removida a carga.

TECNOLOGIA MECÂNICAA carga é normalmente 3.000 kgf, mas pode ser diminuída para materiais moles.A esfera de Aço possui diâmetros de 1, 2,5 , 5 e 10 mm, mas para peças pequenas podemos estabelecer outro diâmetro da esfera.Há esferas também de Carboneto de Tungstênio, para materiais duros.O tempo de impressão geralmente é 30 segundos, de acordo normas técnicas, podendo chegar até

de acordo normas técnicas, podendo chegar até 60 segundos

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a.2) Dureza Rockwell: é o segundo tipo de ensaio mais usado, método mais rápido e obtém-se o resultado diretamente na máquina.

• Os penetradores são menores, do tipo esférico • Os penetradores são menores, do tipo esférico (Aço Temperado) ou Cônicos(cone de Diamante a 120⁰ de conicidade).

• A carga aplicada é menor para garantir o contato com a superfície, isto é, possui uma pré carga, posteriormente é aplicada uma de impressão.

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• Possui várias escalas, que são baseadas na profundidade de penetração e são designadas por letras (B,C,F,A,N e T respectivamente em grau de utilização).grau de utilização).

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Questionário:

1) O Ensaio Mecânico mais adequado a cada produto metálico depende de?

2) Quais os fatores determinantes para realização de Ensaios de um dado tipo de ensaio mecânico?de um dado tipo de ensaio mecânico?

3) O projeto de uma peça e a seleção do material são feitos tomando-se por base a sua história de aplicação! Correta afirmação?

4) Os ensaios mecânicos podem também ser usados para comparação de materiais distintos, correta afirmação?

5) O que é Ensaio de Tração?

6) Qual o objetivo do Ensaio de tração?

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7) Quais os cuidados a serem tomados com os resultados do Ensaio de Tração?

8) O que é Tensão?9) O que é Deformação?10) Qual a formula para cálculo da tensão?11) Qual a formula de cálculo da deformação?11) Qual a formula de cálculo da deformação?12) Como é expressa a Lei de Hooke?13) Metais extremante duros podem romper somente na zona

plástica! Correta afirmação?14) Terminada a Zona Plástica, atinge-se a Zona Elástica! Correta

afirmação?15) O início da Plasticidade é verificado em vários metais e ligas

dúcteis, Aços de baixo carbono pelo fenômeno de?16) O que é Escoamento?

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17) Terminado o Escoamento começa o limite de elasticidade?Correto afirmação?

18) Material após atingir a resistência máxima ele entra na fase de ruptura! Correta afirmação?

19) Os equipamentos de ensaio a tração fornecem que tipo de gráfico?

20) O que é Alongamento?21) Como é expresso o cálculo do Alongamento?22) O que é estricção?23) Como é expresso o calculo da estricção?24) Um corpo de Prova pode ser de secção?

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25) Corpos de prova de secção retangular usam-se a espessura da chapa, placa ou lâmina para o ensaio, e outras dimensões do corpo de prova são de acordo com as normas técnicas! Correta Afirmação?

26) Produtos que sofreram trabalhos mecânicos, as propriedades mecânicas podem variar de acordo?

27) Produtos acabados, como fios, barras e cabos necessitam de 27) Produtos acabados, como fios, barras e cabos necessitam de corpos de provas especiais?

28) Quais são os motivos para usar corpos de provas padronizados?29) O que é modulo de elasticidade? Explique.30) O que é limite de escoamento? Explique.31) O que é Resiliência? Explique.32) O que é Encruamento? Explique.

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33) Como podemos dividir o ensaio de dureza pela maneira como é conduzido?

34) Quais são os tipos de ensaio de dureza mais utilizados, pela maneira que é conduzido?

35) Quais são os tipos de ensaio de dureza por 35) Quais são os tipos de ensaio de dureza por penetração?

36) Explique o ensaio de dureza Brinell?

37) Qual o tipo de penetrador da Dureza Brinell?

38) Quais os tipos de penetradores da Dureza Rocwell?

39) Quantas escalas existem da Dureza Rockwell?

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4.0) MATERIAIS FERROSOS E NÃO FERROSOS

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