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MATERIAIS TÍPICOS

MATERIAIS TÍPICOS. pequeno menu de materiais freqüentemente usados na prática da engenharia Prof. Jaime Tupiassú Pinho de Castro Dept. Eng.Mecânica PUC-Rio. 1- METAIS e LIGAS METÁLICAS a) Estruturais. Aços : carbono, baixa liga, ferramenta, inox

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MATERIAIS TÍPICOS

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  1. MATERIAIS TÍPICOS pequeno menu de materiais freqüentemente usados na prática da engenharia Prof. Jaime Tupiassú Pinho de Castro Dept. Eng.Mecânica PUC-Rio

  2. 1- METAIS e LIGAS METÁLICASa) Estruturais • Aços:carbono, baixa liga, ferramenta, inox • Ferros Fundidos:cinzento, nodular, branco, ligado • Alumínio: 1xxx, 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx, fundidos • Cobre:puro, latões (CuZn), bronzes (CuSn, CuAl, CuBe) • Níquel:superligas, NiCu, NiCr, NiFe • Titânio:Ti-6Al-4Va, comercialmente puro • Magnésio:fundidos e extrudados de baixo r • Zinco: fundidos complexos de baixa resistência

  3. 1- METAIS e LIGAS METÁLICASb) Elementos de liga nos aços: • Cr  temperabilidade e resistência à corrosão, temperatura e desgaste • Ni  temperabilidade e tenacidade, estabiliza austenita • Mn  temperabilidade, estabiliza austenita, controla efeito do S • Mo  temperabilidade e resistência à temperatura e desgaste,  grão • V  temperabilidade e resistência ao desgaste,  grão • Si  tenacidade, temperab. e permeabilidade magnética, desoxida • Al  nitretação,  grão, desoxida • Cu resistência à corrosãopela formação de um óxido superficial • CoeW(  dureza a quente), Nb (ligados), Ti • S  usinabilidade,  soldabilidade e ductilidade, além deCeN • Ceq = C + (Cr+Mo+V)/5 + Mn/6 + (Ni+Cu)/15

  4. 1- METAIS e LIGAS METÁLICASc) Revestimento ou aplicações especiais: • Sn, Zn, Cd:revestimento anti-corrosivo para aço • Cr:resistência ao desgaste (Cr duro), acabamento (Cu+Ni+Cr) • Ni:superligas p/ alta temperatura, revestimento anti-corrosivo, resistências elétricas, Invar, selos para vácuo • Ti:resistência à corrosão, SY/ e Se/ alto • Cu:condutores elétricos e térmicos, resistência à corrosão • Al, Mg: baixo, anodização do Al p/ corrosão • Au, Pt, Ag:metais nobres, Au não oxida, Ag lubrificante • Mo, W:metais refratários (requerem atmosfera inerte), W é muito denso, liga TZM p/ aplicações estruturais • Ta: revestimentos p/ indústria química, caro (+$300/kg)

  5. 2- CERÂMICAS • Rochas:granito, gnaisse, basalto, mármore, arenito • Concreto:cimento+areia+brita, cimento Portland (3CaO.SiO2+2CaO.SiO2+3CaO.Al2O3+4CaO.Al2O3.Fe2O3) • Aluminosilicatos:caulim (Al2O3.2SiO2.2H2O), argilas (caulim+impurezas) • Vidros:comum (70SiO2+15CaO+15Na2O), pirex (80SiO2+15B2O3+5Na2O) • Alta Resistência:alumina (Al2O3, esmeril, safira), WC, TiC, VC, SiC, Si3N4

  6. 3- POLÍMEROSa)Termoplásticos de Baixa Resistência • PE, LDPE, HDPE(p-etileno) • ABS (acrilonotrilo-butadieno-estireno) • PVC (p-cloreto de vinila) • PMMA (p-metilmetacrilato, acrílico) • PTFE (p-tetrafluoroetileno, Teflon) • PP (p-propileno) • PS (p-estireno), ...

  7. 3- POLÍMEROSb)Termoplásticos de Alta Resistência • PA (p-amidas, nylon) • POM (p-oximetileno, acetal) • PC (p-carbonato) • PI (p-imida) • PET (p-etilenoteraftalato) • PBT (p-butilenoteraftalato) • PEEK (p-eter-eter-cetona) • PAI (p-amidaimida) • PPO(p-phenileneoxide), ... (+ligas)

  8. 3- POLÍMEROSc)Fundidos • EP (epoxi) • UP (poliéster) • PUR (p-uretano) • SI (silicone) • MF (melamina) • UF (ureaformaldeída) ...

  9. 3- POLÍMEROSc)Elastômeros • NR (isopreno, borracha natural) • BR (p-butadieno) • CR (p-cloropreno, neopreno) • SBR (estireno-butadieno) • SI (silicone) ... • ligas

  10. 4- COMPOSTOS • Concreto Armado e Protendido • Polímeros Reforçados:GFRP, CFRP, KFRP • Cermets: (cerâmicas + metais) Vídia (partículas de WC coladas com Co) • Espumas: (gás + sólido) Isopor, espuma de PU • Naturais:madeira (fibras de celulose coladas por lignina), osso (hidroxipatite + colágeno), esponja

  11. Aços Carbono: 10xx - comuns (Mn <1%, P < .04 e S < .05, + elementos residuais) 11xx - alto S (0,08 a 0,35) para usinabilidade Aços Mn: 13xx - Mn 1,60-1,90 15xx - Mn 1,00-1,60 Aços Ni: 23xx - Ni 3,25-3,75 25xx - Ni 4,75-5,25 Aços Mo: 40xx - Mo 0,15-0,30 44xx - Mo 0,35-0,45 45xx - Mo 0,45-0,60 Aços Cr: 50xx - Cr 0,30-0,60 51xx - Cr 0,70-1,15 501xx- Cr 0,40-0,60 511xx- Cr 0,90-1,15 521xx- Cr 1,30-1,60 Aços Si: 92xx - Si 1,80-2,20 AÇOS DE BAIXA LIGA

  12. Aços Ni-Cr: 31xx - Ni 1,10-1,40; Cr 0,55-0,75 33xx - Ni 3,25-3,75; Cr 1,40-1,75 Aços Ni-Mo: 46xx - Ni 1,65-2,00; Mo 0,20-0,30 48xx - Ni 3,25-3,75; Mo 0,20-0,30 Aços Cr-Mo: 41xx - Cr 0,80-1,10; Mo 0,15-0,25 Aços Cr-V: 61xx - Cr 0,70-1,10; V 0,10-0,15 Aços Ni-Cr-Mo: Ni CrMo 43xx - 1,65-2,00/0,70-0,90/0,20-0,30 47xx - 0,90-1,20/0,35-0,55/0,30-0,40 86xx - 0,40-0,70/0,40-0,60/0,15-0,25 87xx - 0,40-0,70/0,40-0,60/0,20-0,30 93xx - 3,00-3,50/1,00-1,40/0,08-0,15 98xx - 0,85-1,15/0,70-0,90/0,20-0,30 AÇOS DE BAIXA LIGA (cont.)

  13. AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS TÍPICAS • Normas Brasileiras NBR: (SY/Su, em MPa) • 7007: Perfis Laminados- MR(250/400), AR(290/415) AR(345/450), AR-COR(345/485) • 6648: Chapas Grossas (>6mm)- CG-24(235/380), CG-26(255/410) • 6649/50: Chapas Finas- CF-24(240/370), CF-26(260/400) • 5000: Chapas Grossas BLAR- G30(300/415), G35(345/450) • 5004: Chapas Finas BLAR- F32(310/410), F35(340/450) • Normas Inglesas: • BS-4360: estruturas off-shore • BS-5400: estruturas metálicas • BS-5500: vasos de pressão • ASME: seção IIa - aços C e aços-liga • (Na seção VIII, divisão1-projeto de vasos tradicionais, as tensões admissíveisvariam de 70 a 170 MPa, para temperaturas < 345oC)

  14. AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS TÍPICAS

  15. AÇOS FERRAMENTA • Têm maior controle de qualidade e devem ser usados em aplicações estruturais críticas. São designados por letra + número:

  16. AÇOS MARAGING • Outros aços competitivos para aplicações críticas são os Maraging, que têm transformação martensítica por envelhecimento (a ~500oC), excelente resistência mecânica com boa tenacidade, e são facilmente soldáveis (ASTM A538/A579) (o 18Ni1600 é para fundidos):

  17. AÇOS INOX • Devem ter pelo menos 12% Cr, e passividade em meios oxidantes • Há cerca de 60 tipos padronizados em 4 classes: • ferríticos (Cr), • martensíticos (Cr+C), • austeníticos (Cr+Ni), • PH, precipitation hardening (Cr+Ni+Al ou Cu) • Há mais de 100 tipos fabricados, incluindo inox com estruturas duplex • Deve-se verificar dados específicos para corrosão

  18. AÇOS INOX FERRÍTICOS (12-27Cr, C<0.2) • Os mais baratos • Resistentes à corrosão atmosférica • Não temperáveis • Precipitam fase  (frágil) se Cr > 20% • São muito difíceis de soldar • Pouco sujeitos à corrosão sob tensão, mas fragilizam a 475°C • Uso decorativo, aplicações especiais • Principal tipo: 430 (14-18Cr, 0.12C)

  19. AÇOS INOX MARTENSÍTICOS (12-18Cr, C<1.2) • Temperáveis, atingem ótima resistência mecânica • Insoldáveis e incortáveis por maçarico • Aplicações estruturais, instrumentos de corte • Principais tipos: • 410 (12-14Cr, 0.15C; 30Rc) • 416 (410 + S, para usinagem) • 420 (12-14Cr, 0.4C; 50Rc) • 440A, B ou C (16-18Cr, 0.6-1.2C; 60Rc)

  20. AÇOS INOX AUSTENÍTICOS (16-26Cr, 8-22Ni, C<.25) • Uso geral e em alta temperatura (mas têm problemas com cloretos) • Resistência à corrosão > inox ao Cr • Dúcteis (encruam muito) e tenazes • Soldáveis (usar sufixo L, C < 0.03, para melhor soldabilidade) • Não magnéticos •  ~16 m/m°C, E ~ 190 GPa (até 150 GPa se muito encruado) • Na série 200 o Mn substitui parcialmente o Ni • Principais Tipos: 304-304L (18-20Cr, 8-12Ni, 2Mn) 316-316L (16-18Cr, 10-14Ni, 2Mn, 2-3Mo) • Uso geral: 202, 302, 303 (usinagem), 304, 316 • Alto encruamento: 201, 301 • Alta temperatura: 316, 317, 310, 314, 321, 347, 348

  21. AÇOS INOX PH(ENDURECÍVEIS POR PRECIPITAÇÃO) • Tratamento de envelhecimento a ~ 540°C • Semi-austeníticos ou martensíticos (C <0.1, 25Rc) • Ótima resistência mecânica, sem empeno no tratamento térmico (mas não muito tenazes) • Principais Tipos: • 630 ou 17-4PH, martensítico (16-18Cr, 3-5Ni, 3-5Cu, .2-.4Ni+Ta) • 631 ou 17-7PH, semi-austenítico (16-18Cr, 7-9Ni, 1Al)

  22. FERROS FUNDIDOS • O processo (molde de areia, centrífuga, sob pressão, shell molding, cera perdida) afeta o projeto e a qualidade do produto final • Comparar custos com peças soldadas • O metal mais puro solidifica primeiro, há retração, segregação e formação de grãos dendríticos • Deve-se evitar estruturas colunares, segregação, vazios e inclusões, limitando os gradientes de temperatura, usando ligas próprias para fundição, seções de espessura uniforme e raios generosos

  23. FERROS FUNDIDOS CINZENTOS • Liga Fe-C(2.5-4)-Si(1-3) • Microestrutura lamelar (grafita conchoidal em matriz de aço) • Tratável termicamente • Frágil (f ~ 1%), fratura cinzenta, Suc= (3~5)Sut, Se(106) ~ 0.4Sut • Pouco linear (Esec ~75 a 150GPa, E diminui com Sut) • Bom em algumas aplicações de corrosão (tubulações) • Alto amortecimento interno (estruturas de máquinas) • Excelente usinabilidade e resistência ao desgaste quando lubrificado (cilindros de combustão interna) • A liga eutética (Ceq~ 4.3, Tf~1150oC) é a mais fácil de fundir, mas tem menor resistência (Ceq = (C + Si/3)) • Há 7 classes comerciais: ASTM 20 a 60 ou ABNT FC10 a FC40 (o no é a Sut em Ksi ou kg/mm2, d = 25mm)

  24. FERROS FUNDIDOS BRANCOS • Obtidos por solidificação rápida • Muito duros (>60Rc) • Muito frágeis • Microestrutura perlita + cementita, sem grafita precipitada • Fratura branca • Usado em aplicações de desgaste severo

  25. FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS • Obtidos por longo tratamento térmico (~50h) do ferro fundido branco • SY= 220 a 700MPa, f até 20% • Suc até 4Sut e Se até 0.6Sut • Grafita precipita como flocos • Boa usinabilidade

  26. FERROS FUNDIDOS NODULARES • Mg é adicionado ao banho para esferoidizar a grafita • Vazado de forma similar ao cinzento • 5 graus ASTM: 60-40-18 a 120-90-02 (Su-SY-f) • Tratável termicamente e de fácil usinagem • E = 160-175GPa, Suc~ 2Sut e Se ~ 0.5Sut • Comportamento à corrosão similar ao cinzento • Mais barato e com melhor microestrutura que o maleável • Pode ser usado em aplicações nobres, em componentes que trabalhem sob altas solicitações mecânicas como virabrequins, e.g.

  27. LIGAS DE ALUMÍNIO • Baixos  (2.7kg/l) e E (~70GPa) (~ aço/3) •  = 23/oC (~2.aço) • Tf = 680 oC (Fe = 1580oC) • Bom condutor elétrico (Al puro ~ 0.6Cu) e térmico • Pode ter alto SY/ • Boa resistência à corrosão • Anodização protege e endurece a superfície • Não é tóxico • Boa fabricabilidade • Ligas mais resistentes não são muito tenazes

  28. LIGAS DE ALUMÍNIO • Principais ligas laminadas (as TT são tratáveis termicamente): • 1xxx (0.99Al min): condutores elétricos, Alclad p/ corrosão • 2xxx (Cu, TT): 2014, 2017, 2024 (alta resistência, aviação) • 3xxx (Mn): 3003 (uso geral (UG), soldável, f = 0.5) • 4xxx (Si) (pouco usada) • 5xxx (Mg): 5052, 5083, 5456 (UG, SY> 3xxx, aplicações navais) • 6xxx (Mg e Si, TT): 6061, 6063 (UG, SY> 5xxx, anodiza, solda) • 7xxx (Zn, TT): 7075 (maior SY, aviação, transdutores) • Sufixos: Hxx (tipo e grau de encruamento), Txxx (TT), p.ex: • T3 (solubilizada e encruada) • T4 (solubilizada e envelhecida naturalmente) • T6 (solubilizada e envelhecida no forno)

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