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ELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IELEMENTOS ORGÂNICOS DE MÁQUINAS IATAT--096096

Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do ParanáCurso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira

M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade

[email protected]@ufpr.br

MATERIAIS METÁLICOSMATERIAIS METÁLICOS

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INTRODUÇÃO:

� Como visto anteriormente, existe uma grandevariedade de materiais que podem apresentarpropriedades interessantes para serem aplicados naárea de engenharia, porém a grande variedade demateriais pode gerar algumas dúvidas para oengenheiro iniciante.


INTRODUÇÃO:

� Na construção de componentes específicos oumáquinas complexas é necessário a utilização dealguns materiais, na grande maioria das vezes,materiais metálicos, devido principalmente a suaspropriedades. Devemos entender que aspropriedades dos materiais podem definir tanto odesempenho de um determinado componentequanto o processo de fabricação do mesmo.

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INTRODUÇÃO:

� Assim, levando em consideração um númeroextremamente grande de materiais metálicosdiferentes, contando ainda com suas variantes detratamento térmico e composição, podemosperguntar: Como definir qual o melhor material paraum determinado fim? Alguns pontos a seremconsiderados inevitavelmente serão em relação aocusto, o tempo de vida ou durabilidade, a aparênciae a finalidade.


INTRODUÇÃO:

� Este documento mostrará de maneira resumida,informações gerais e diretrizes para o engenheiro demodo que ele possa conhecer quais são osprincipais tipos de materiais metálicos que podemser empregados em uma dada situação do projeto.

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INTRODUÇÃO:

� Foi na Idade dos Metais, período que seguiu à Idadeda Pedra que homem começava a dominar, aindaque de maneira rudimentar, a técnica da fundiçãodos metais.

� Assim este teve condições de criar instrumentosmais eficazes para o cultivo agrícola, exploração dasflorestas e a prática da caça, além da influênciadireta sobre disputas e guerras.


INTRODUÇÃO:

� O primeiro tipo de metal utilizado foi o cobre. Com opassar dos anos o estanho também foi utilizadocomo outro recurso na fabricação de armas eutensílios. Com a junção desses dois metais, porvolta de 3000 a.C., houve o aparecimento do bronze.

� Só muito tempo depois é que se tem notícia dadescoberta do ferro. Manipulado por comunidades daÁsia Menor, cerca de 1500 a.C., o ferro teve um lentoprocesso de propagação. Isso se deu porque astécnicas de manipulação da liga de ferro eram dedifícil aprendizado.

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INTRODUÇÃO:

� O Ferro é o metal mais utilizado pelo homem naatualidade, com mais de 90% em peso da produçãomundial dos metais. A abundância deste mineral, ocusto relativamente baixo de produção e as múltiplaspropriedades físico-químicas que podem ser obtidascom adição de outros elementos de liga são fatoresque dão a este metal uma extensa variedade deaplicações.


INTRODUÇÃO:

� Alguns metais, como o cobre e alumínio porexemplo, podem ser usados no estado quimicamentequase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro.No uso prático, este metal está sempre ligado aocarbono e a outros elementos e, assim, no âmbito daciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como umaliga 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 deprodução e podendo conter outros elementos de ligapropositalmente adicionados. Se o aço não contémestes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é adesignação genérica para ligas de ferro-carbono comteores de carbono acima de 2,0%.


ESTRUTURA:

� Como os demais metais, se solidifica pela formaçãode cristais, que vão crescendo a diferentes direções,formando os denominados eixos de cristalização. Apartir de um eixo principal, crescem eixossecundários, que por sua vez se desdobram emnovos eixos e assim por diante até que toda a massado metal se torne sólida. O conjunto formado pelo eixoprincipal e secundários de um cristal é denominadodendrita.

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ESTRUTURA:

Esquema estrutural de uma dentrita


ESTRUTURA:

� Quando duas dendritas se encontram, origina-se umasuperfície de contato e ao término do processo decristalização, formam cada uma as partículas quecompõem o metal, de modo que todos os metais, apóssua solidificação completa, são constituídos deinúmeras partículas fundamentais, justapostas eunidas.

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 pelatransformação do minério de ferro em aço, de maneiraque ele possa ser usado comercialmente. Esteprocesso tem o nome de Redução. Primeiramente, ominério – cuja origem básica é o óxido de ferro (FeO)– é aquecido em fornos especiais (alto fornos), empresença de carbono (sob a forma de coque oucarvão vegetal) e de fundentes (que são adicionadospara auxiliar a produzir a escória, que, por sua vez, éformada de materiais indesejáveis ao processo defabricação).


PRODUÇÃO:

� O objetivo desta primeira etapa é reduzir ao máximo oteor de oxigênio da composição FeO. A partir disso,obtém-se o denominado ferro-gusa, que contem de3,5 a 4,0% de carbono em sua estrutura. Após umaanálise química do ferro, em que se verificam osteores de carbono, silício, fósforo, enxofre, manganêsentre outros elementos, o mesmo segue para umaunidade da siderúrgica denominada aciaria, onde seráfinalmente transformado em aço.

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PRODUÇÃO:

� O aço, por fim, será o resultado da descarbonataçãodo ferro gusa, ou seja, é produzido a partir deste,controlando-se o teor de carbono para no máximo2,0%. O que temos então, é uma liga metálicaconstituída basicamente de ferro e carbono, além decertos elementos residuais resultantes de seuprocesso de fabricação.


PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:


PRODUÇÃO:

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PRODUÇÃO:


AÇO:

� Os aços diferenciam-se entre si pela forma, tamanhoe uniformidade das partículas que o compõem e, éclaro, por sua composição química. Esta pode seralterada em função do interesse de sua aplicaçãofinal, obtendo-se através da adição de determinadoselementos químicos, aços com diferentes graus deresistência mecânica, soldabilidade, ductilidade,resistência à corrosão, entre outros.

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AÇO:

� Dependendo do seu conteúdo em elementos ligantessão classificados em:

� Aço baixa liga.� Aço alta liga.


AÇO:

� Dependendo do seu conteúdo em carbono os açossão 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% decarbono em peso. São utilizados em veículos,tubulações, elementos estruturais e outros. Tambémexistem os aços de alta resistência com baixa liga decarbono, entretanto, contêm outros elementosfazendo parte da composição, até uns 10% em peso;apresentam uma maior resistência mecânica epodem ser trabalhados facilmente.

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AÇO:

� Aço médio em carbono. Entre 0,25% e 0,6% decarbono em peso. Para melhorar suas propriedadessão tratados termicamente. São mais resistentes queos aços baixo em carbono, porém menos dúcteis,sendo empregados em peças de engenharia querequerem uma alta resistência mecânica e aodesgaste.


AÇO:

� Aço alto em carbono. Entre 0,6% e 2,0% de carbonoem peso. São os mais resistentes, entretanto, osmenos dúcteis. Adicionam-se outros elementos paraque formem carbetos, por exemplo, formando ocarbeto de tungstênio. Estes carbetos são maisduros, formando aços utilizados principalmente paraa fabricação de ferramentas.

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AÇO:

� De maneira geral, os aços possuem excelentespropriedades mecânicas: resistem bem à tração, àcompressão, à flexão, e como é um materialhomogêneo, pode ser laminado, forjado, estampado,estriado e suas propriedades podem ainda sermodificadas 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, deteores de carbono acima de 2,0%, essa quantidadede carbono é superior à que pode ser retida emsolução sólida na austenita, desta forma, no ferrofundido há carbono parcialmente livre. O carbonolivre se apresenta na forma de veios ou lamelas degrafita.


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 umacoloração escura (onde a sua denominação). Essafratura é caracterizada por apresentar comoelementos de liga fundamentais o carbono e o silício.Uma parcela relativamente grande do carbono estáno estado livre (grafita lamelar) e outra parcela noestado combinado (Fe3C).

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FERRO FUNDIDO CINZENTO

� A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentosestá 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 a0,25%.

Exemplo de dispositivos construídos com ferro fundido cinzento


PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

� Nesse tipo de material, a resistência mecânica estaassociada ao tamanho da peça. Para uma dadaconcentração de carbono total e silício há umatendência de modificação da resistência mecânica.Em peças finas tende haver uma maior concentraçãode carbono e silício. Em peças espessas, a quantidadedesses elementos dever ser reduzida sob a pena dequeda da dureza e do limite de resistência à tração.

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APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

� Possuí aplicações diversas pelas suascaracterísticas.Pela usinabilidade e fundibilidade, são indicadospara: bases de máquinas, carcaças metálicas,elementos estruturais de máquinas operatrizes comobarramentos, cabeçotes, mesas, etc;



� Ligados se tornam mais resistentes, sendo indicados:Engrenagens, virabrequins, bases pesadas e colunasde 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, pistõeshidráulicos, eixos de comando


FERRO FUNDIDO BRANCO

� Nesse tipo de material, a fratura apresenta umacoloração clara, essa coloração é característica do fatode que o carbono se encontra quase que inteiramentecombinado na forma de Fe3C (cementita). Isso ocorredevido as condições de fabricação e ao menor teor desilício.

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PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO BRANCO

� Suas características principais são a elevada dureza eresistência ao desgaste e uma baixa usinabilidade(mesmo com as melhores condições e materiais decorte).


APLICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO BRANCO

� Para cada tipo de aplicação há composições típicaspara o ferro fundido branco, isto devido a suascaracterísticas mecânicas. O ferro fundido branco érecomendado para as seguintes aplicações:revestimentos de moinhos; bolas para moinhos debola; cilindros para laminação de borracha, vidro,linóleo, plásticos e metais; rodas de vagões; peçaspara 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 ebranco, visando melhorar alguma característica,possuindo assim composição bem variada.

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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� O ferro fundido maleável é considerado um materialintermediário entre o aço e o ferro fundido cinzento.Apresenta as características fundamentais do ferrofundido aliada às propriedades mecânicas de aços debaixo e médio carbono e com uma ductibilidaderazoável. A resistência à corrosão é muito boa devidoàs características superficiais que se originam nosprocessos de maleabilização


FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� Processos de maleabilizacãoHá dois processos de maleabilizacão do ferro fundidobranco. O primeiro é um processo de descarbonelaçãoe que origina um ferro fundido maleável de núcleobranco (desenvolvido na Europa).O segundo é o processo de maleabilizacão porgrafitização e que origina o ferro fundido maleável denúcleo preto (desenvolvido na EUA).

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

� O ferro fundido maleável apresenta um vasto campode aplicação nas industrias: mecânica, elétrica,automobilística, de materiais de construção,equipamentos pesados. É muito utilizado na confecçãode 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 ede embreagens, colares de tratores. caixas deengrenagens, etc.


FERRO FUNDIDO DÚCTIL OU NODULAR

� É caracterizado por apresentar carbono livre na formade grafita esferoidal. Grafita esferoidal o que confereao material uma boa ductibilidade. Esse tipo deestrutura é obtido com um tratamento realizado aindano estado líquido, adicionando-se ligas contendomagnésio, cério, cálcio, lítio, sódio e bário.O ferro fundido de origem possui uma composiçãosemelhante à do ferro fundido cinzento comum ou combaixo teor de liga.

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� Processo de nodulizacãoNesse processo, o magnésio age como inibidor dagrafitização, de curta duração, de modo que o ferrofundido solidifica inicialmente formando cementita.Quando cessa a ação do magnésio, a cementitacomeça a decompor-se e origina uma grafita que sedesenvolve em todas as direções, adquirindo umaforma próxima da esférica.



� Processo de nodulizacãoUm tratamento térmico de recozimento e normalizaçãodecompõe a cementita em ferrita e produz mais grafitaesferoidal. O recozimento também alivia as tensões ea normalização produz melhores propriedadesmecânicas.

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APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO DÚCTIL OUNODULAR

� As aplicações típicas desse tipo de aço são:compressores; bielas. peças que necessitem deresistência ao choque como: virabrequins, mancais;polias; rodas dentadas; engates: sapatas; tambores defreios.


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 queFerro 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 elenão enferrujar, e, portanto, estar livre de problemascom a umidade e maresia. É leve e tem boaspropriedades mecânicas. A têmpera é primordial paraa qualidade das peças. Uma desvantagem é quanto adificuldade de soldagem, e quando soldada, perde50% de suas propriedades mecânicas, pois ocorre adestempera.

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ALUMÍNIO

� O alumínio funde a uma temperatura em torno de660°C e em condutibilidade elétrica e térmicaexcelente. Forma ligas importantes com diversosmetais, nas quais se podem conseguir diversaspropriedades. Ex: duralumínio (alumínio + cobre +magnésio) de grande resistência mecânica e leveza.


ALUMÍNIO

� Sua densidade é aproximadamente de um terço da doaço ou cobre. É muito maleável, muito dúctil e aptopara a mecanização e para a fundição, além de teruma excelente resistência à corrosão e durabilidadedevido 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 efios extremamente finos. Ao ar, cobre-se rapidamentede uma camada de óxido e carbonato. Tem grandecondutibilidade térmica e elétrica, densidade entre 8,6e 8,95 Kg/m³.

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COBRE

� Bom condutor de eletricidade e de calor. Suaresistência e módulo de deformação são menores doque o dos aços, mas as suas propriedades o tornamindicado para certos usos como condutores elétricos,tubos para trocadores de calor, peças que necessitamgrande ductibilidade e grande tenacidade. Largamenteempregado 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 materiaismetálicos necessários na construção de câmaras desecagem utilizadas na industria madeireira.Faça um croqui detalhando do sistema proposto alémde explicar as propriedades que justificam a escolhados materiais.

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