MOD. I - Materiais, Notas de estudo de Eletromecânica

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MATERIAIS

FIEP - FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DA

PARAÍBA

Presidente: Francisco de Assis Benevides Gadelha

SENAI - DEPARTAMENTO REGIONAL DA PARAÍBA

Diretora Regional: Maria Gricélia Pinheiro de Melo

Diretor Administrativo Financeiro: José Aragão da Silva

Diretora de Operações: Maria Berenice de Figueiredo Lopes

Diretora de Planejamento e Marketing: Patrícia Gonçalves de Oliveira

É autorizada reprodução total ou parcial deste material, por qualquer meio ou sistema desde que a fonte seja citada. Este material foi atualizado, adequado e revisado pela equipe do SENAI - Departamento Regional da Paraíba, tendo como referencial o Banco de Recursos Didáticos do SENAI, bem como outras fontes bibliográficas citadas nas referências. Informamos que não será permitida qualquer alteração neste material, sem que haja autorização da UNIEP – PB. SENAI. PB. : Aperfeiçõamento/SENAI Departamento Regional da Paraíba. – Campina Grande, 2010. SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional da Paraíba Avenida: Manoel Guimarães – 195 – José Pinheiro CEP: 58 100 - 440 – Campina Grande – PB Fone: (83) 2101. Fax: (83)2101. 5394 E-mail: [email protected] Home page: http://www.fiepb.org.br

SUMÁRIO

Apresentação 04 1 2 3 4 Siderurgia 1.1 Introdução 1.2 A S iderurgia no Brasil 1.3 Processo S iderúrgico 1.4 Parque S iderúrgico 1.5 Produtos S iderúrgicos 1.5.1 Sem i-Acabados 1.5.2 P rodutos Planos 1.5.3 P rodutos longos 1.6 Q uanto ao tipo de aço 1.6.1 Aços C arbono 1.6.2 Aços Ligados / Especiais 1.6.3 Aços construção m ecânica 1.6.4 Aços ferram entas 1.7 Ferro Fundido 1.8 Aço Estrutura 2.1 Cristalinidade e Micro Estrutura 2.2 A estrutura do aço 2.2.1 Hexagonal compacto 2.3 Ligação metálica 2.4 Defeitos cristalinos 2.4.1 Por que os defeitos são importantes 2.4.2 Estrutura granular dos materiais Aço carbono 3.1 Diagrama de equilíbrio 3.2 Propriedades dos constituintes dos aços 3.3 Efeitos dos elementos de ligação 3.4 Materiais ferrosos 3.4.1 Propriedades mecânicos de aço carbono 3.4.2 A composição química 3.4.3 O processo termomecânico 3.5 Classificação do aço 3.5.1 Definição 3.5.2 Classificação 3.5.3 Sistema de classificação 3.6 Aplicações 3.7 Formas Comerciais Tratamentos térmicos 4.1 Fatores de influência nos tratamentos térmicos 4.1.1 Aquecimento

APRESENTAÇÃO

Caro aluno, Neste momento você esta iniciando seus estudos no curso técnico de Eletromecânica, do SENAI – Departamento Regional da PB. Este módulo de Materiais tem informações necessárias do curso tecnico em Eletromecânica, e tem o objetivo de fazer você conhecer os princípios e normas técnicas, como também, conhecer os componentes, os instrumentos, as ferramentas e as máquinas utilizadas no dia-a-dia do profissional desta área. O presente módulo é composto de tarefas, onde são apresentados conteúdos técnicos necessários para a compreensão de conceitos básicos, a fim de operacionalizar a realização da parte prática. Trata-se de um material de referência, preparado com todo o cuidado para ajudá-lo em sua caminhada profissional. Por isso, desejamos que esse seja, não apenas a porta de entrada no mundo do trabalho, mas, que também indique os vários caminhos que este mundo pode oferecer quando se tem curiosidade, criatividade e vontade de aprender. 4

1 1.. SSIIDDEERRUURRGGIIAA

1.1 - Introdu ção No atual estágio de desenvolvim ento da sociedade, é im possível im aginar o m undo sem o uso de ferro fundido e aço. Pode-se afirm ar, inclusive, que a produção de aço é um forte indicador do estágio de desenvolvim ento econôm ico de um país. Isso porque seu consum o cresce proporcionalm ente à construção de edifícios, execução de obras públicas, instalação de m eios de com unicação e produção de equipam entos. De form a geral, esses m ateriais já se tornaram tão corriqueiros no cotidiano que nem lem bram os que eles não nascem prontos na natureza. Fabricá-los exige o conhecim ento de técnicas que, hoje em dia, o hom em desenvolve continuam ente. M as nem sem pre foi assim. O início e o processo de aperfeiçoam ento do uso do ferro representaram grandes desafios e conquistas para a hum anidade. Há cerca de 4 .5 00 anos, o ferro m etálico usado pelo hom em era encontrado in natura em m eteoritos recolhidos pelas tribos nôm ades nos desertos da Ásia M enor. Tam bém existem indícios da ocorrência e do em prego desse m aterial m etálico em regiões com o, por exem plo, a Groenlândia. Por sua beleza, m aleabilidade e por ser de difícil obtenção, era considerado um m etal precioso que se destinava, principalm ente, ao adorno. M uitos defendem a hipótese de que o hom em descobriu o ferro no Período Neolítico (Idade da Pedra Polida), por volta de 6. 000 a 4. 000 anos a.C. Ele teria surgido por acaso, quando pedras de m inério de ferro usadas para proteger um a fogueira, depois de aquecidas, se transform aram em bolinhas brilhantes. O fenôm eno, hoje, é facilm ente explicável: o calor da fogueira havia derretido e quebrado as pedras. O uso do ferro nesse período sem pre foi algo acidental e o exem plo acim a ilustra bem a situação. Em bora raras, havia vezes em que o m aterial tam bém era encontrado em seu estado nativo - caso de alguns m eteoritos (corpos rochosos com postos por m uitos m inérios, inclusive ferro, que circulam no espaço e caem naturalm ente na Terra). Com o chegava pelo espaço, m uitos povos consideravam o ferro com o um a dádiva dos deuses. Aos poucos, o ferro passou a ser usado com m ais freqüência, a partir do m om ento em que se descobriu com o extraí-lo de seu m inério. A exploração regular de jazidas com eçou em torno de 1. 500 a.C., provavelm ente no O riente M édio, de onde o m etal teria sido im portado por assírios e fenícios. Do prim eiro m ilênio da era cristã em diante, o ferro difundiu-se por toda bacia do M editerrâneo. Segundo o sistem a proposto no século XIX por arqueólogos escandinavos, à Idade da Pedra se seguiu a Idade dos Metais. Prim eiro, a do Bronze e, em seguida, a do Ferro. A Idade do Bronze se desenvolveu entre os anos 4000 e 2000 a.C. Por ser m ais resistente do que o cobre, o bronze possibilitou a fabricação de arm as e de instrum entos m ais rígidos. A Idade do Ferro é considerada com o o últim o estágio tecnológico e cultural da pré-história. Aos poucos, as arm as e os utensílios feitos de bronze foram substituídos pelo ferro. Na Europa e no Oriente M édio, a Idade do Ferro com eçou por volta de 1200 a.C. Na China, porém , ela só se iniciou em 600 a.C. 5

M as a grande m udança só ocorreu realm ente em 1856 , quando se descobriu com o produzir aço. Isso porque o aço é m ais resistente que o ferro fundido e pode ser produzido em grandes quantidades, servindo de m atéria-prim a para m uitas indústrias. Quem fabrica o aço é a indústria siderúrgica. A origem dessa palavra está associada à história da descoberta do m inério de ferro: sidur é um a palavra grega que significa astro. Com o avanço tecnológico dos fornos e a crescente dem anda por produtos feitos de ferro e aço, as indústrias siderúrgicas aum entavam a produção. Isso gerava problem as, devido aos gases poluentes liberados na atm osfera pela queim a de carvão vegetal. Em m eados do século XIX, a produção diária de um alto-forno chegava a cerca de três toneladas, o que elevava ainda m ais o consum o de carvão vegetal. Atualm ente, as indústrias siderúrgicas são de extrem a im portância para as nações e representam um dos alicerces de um país desenvolvido. Não é à toa que são cham adas de indústrias de base, já que fornecem equipam entos e produtos para todas as outras. O ferro e o aço são encontrados na agricultura (ceifadeiras, colheitadeiras, sem eadores, arados etc.), nos transportes (cam inhões, carros, navios, aviões etc.), na construção civil, na indústria autom obilística, em em balagens, aparelhos dom ésticos e m uitas outras utilidades. A produção m undial de aço bruto, em 2003 , foi de cerca de 965 m ilhões de toneladas anuais. Para 2004 , a expectativa é de que ela ultrapassará um bilhão de toneladas. Os dez m aiores produtores m undiais de aço são, em ordem decrescente, China, Japão, Estados Unidos, Rússia, Coréia do Sul, Alem anha, Ucrânia, Índia, Brasil e Itália. 1.2 - A Siderurgia no Brasil Quando as terras brasileiras foram descobertas, as ações dos colonizadores portugueses já indicavam que o Brasil construiria um a sólida história da siderurgia. As práticas m ercantilistas im peravam na Europa e a chegada dos portugueses ao Brasil trazia a esperança da extração de m etais com o ouro, prata e bronze. O s portugueses não encontraram nem ferro, nem outros m etais nesse prim eiro m om ento. Os poucos ferreiros que vieram para o Brasil utilizavam o ferro originário da Europa para produzir os instrum entos usados na lavoura. Em 1554 , o padre jesuíta José de Anchieta relatou, em um inform e ao rei de Portugal, a existência de depósitos de prata e m inério de ferro no interior da capitania de São Vicente (atual estado de São Paulo). Quem prim eiro trabalhou na redução desse m inério de ferro foi Afonso Sardinha. Em 1587 , ele descobriu m agnetita na atual região de Sorocaba, no interior de São Paulo, e iniciou a produção de ferro a partir da redução do m inério. É a prim eira fábrica de ferro que se tem notícia no Brasil. As forjas construídas por Sardinha operaram até a sua m orte, em 1629. Após essa data, a siderurgia brasileira entrou em um período de estagnação que durou até o século seguinte. 7

Foi a descoberta de ouro no atual Estado de M inas Gerais que desencadeou um novo estím ulo à siderurgia. Fundições foram abertas para a construção de im plem entos de ferro utilizados no trabalho das m inas. Contudo, as m esm as práticas m ercantilistas que im pulsionaram a descoberta de m etais em nossas terras fizeram com que a construção de um a indústria siderúrgica brasileira fosse reprim ida. A colônia deveria ser explorada ao m áxim o e com ercializar apenas ouro e produtos agrícolas. Portugal chegou a proibir a construção de novas fundições e ordenou a destruição das existentes. A situação m udou com a ascensão de Dom João VI ao trono de Portugal. Em 1795 , foi autorizada a construção de novas fundições. Em 1808 , a fam ília real portuguesa desem barcou fugitiva no Rio de Janeiro, tem endo o avanço das tropas napoleônicas às terras lusitanas. Diversas indústrias siderúrgicas foram construídas a partir desse período. Em 1815 , ficou pronta a usina do M orro do Pilar, em M inas Gerais. Em 1817 , foi inaugurada a Fábrica de Ipanem a, nos arredores de Sorocaba. Outras indústrias foram abertas em Congonhas do Cam po, Caeté e São M iguel de Piracicaba, todas em M inas Gerais. Não seria dessa vez, porém , que a siderurgia brasileira iria decolar. Após esse início de século XIX prom issor, houve um declínio na produção de ferro. A com petição com os produtos im portados da Inglaterra era desigual e travava o desenvolvim ento da siderurgia brasileira. Além disso, havia escassez de m ão-de-obra, já que os trabalhadores, em sua m aioria, eram sugados pela lavoura do açúcar e, m ais tarde, do café. M esm o assim , um m arco im portante para o posterior progresso da siderurgia brasileira data desse período: a fundação, em 1876 , da Escola de M inas de Ouro Preto, que form aria um a geração com petente de engenheiros, m etalúrgicos e geólogos. 1.3 - P rocesso Siderúrgico Quando o hom em conseguiu a quantidade necessária de calor para fundir o m inério de ferro, encerrou a Idade do Bronze e deu início à Idade do Ferro. O fator custo teve im portante papel nesta m udança. A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que perm itiam não só corrigir as im purezas do ferro, com o lhes adicionar propriedades com o resistência ao desgaste, ao im pacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90 % de todos os m etais consum idos pela civilização industrial. Basicam ente, o aço é um a liga de ferro e carbono. O ferro é encontrado em toda crosta terrestre, fortem ente associado ao oxigênio e à sílica. O m inério de ferro é um óxido de ferro, m isturado com areia fina. O carbono é tam bém relativam ente abundante na natureza e pode ser encontrado sob diversas form as. Na siderurgia, usa-se carvão m ineral, e em alguns casos, o carvão vegetal. 8

1.4 - P arque Siderúrg ico O parque siderúrgico brasileiro com põe-se, hoje, de 24 usinas, adm inistradas por 11 em presas. A privatização trouxe ao setor expressivo afluxo de capitais, em com posições acionárias da m aior diversidade. Assim , m uitas em presas produtoras passaram a integrar grupos industriais e/ou financeiros cujos interesses na siderurgia se desdobraram para atividades correlatas, ou de apoio logístico, com o objetivo de alcançar econom ia de escala e com petitividade. O parque produtor é relativam ente novo e passa por um processo de atualização tecnológica. Está apto a entregar ao m ercado qualquer tipo de produto siderúrgico, desde que sua produção se justifique econom icam ente. Em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas podem , ser assim classificadas:  De sem i-acabados (placas, blocos e tarugos).  De planos aços carbono (chapas e bobinas)  De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas).  De longos aços carbono (barras, perfis, fio m áquina, vergalhões, aram es e tubos sem costura).  De longos aços especiais / ligados (barras, fio-m áquina, aram es e tubos sem costura). 1.5 - Produtos Siderúrgicos Q uanto à form a geom étrica 1.5.1 - S em i-acabados Produtos oriundos de processo de lingotam ento contínuo ou de lam inação de desbaste, destinados a posterior processam ento de lam inação ou forjam ento a quente.  Placas  Blocos  Tarugos 10

1.5.2 - Produtos Planos Produtos siderúrgicos, resultado de processo de lam inação, cuja largura é extrem am ente superior a espessura (L >>>E), e são com ercializados na form a de chapas e bobinas de aços carbono e especiais.  N ão revestido s, em "aços carbono ".

• Bobinas e chapas grossas do lam inador de tiras a quente.
• Bobinas e chapas grossas do lam inador de chapas grossas.
• Bobinas e chapas finas lam inadas a quente (BQ/CFQ).
• Bobinas e chapas finas lam inadas a frio (BF/CFF).  R evestido s, em "aços carbono ".
• Folhas para em balagem (folhas de flandres - recobertas com estanho - e folhas crom adas)
• Bobinas e chapas eletro-galvanizadas (EG - Electrolytic Galvanized)
• Bobinas e chapas zincadas a quente (HDG - Hot Dipped Galvanized)
• Bobinas e chapas de ligas alum ínio-zinco
• Bobinas e chapas pré-pintadas Em "aços especiais"
• Bobinas e chapas em aços ao silício (chapas elétricas)
• Bobinas e chapas em aços inoxidáveis
• Bobinas e chapas em aços ao alto carbono (C >= 0, 5 0% ) e em outros aços ligados 1.5.3 - Produtos Longos Produtos siderúrgicos, resultado de processo de lam inação, cujas seções transversais têm form ato poligonal e seu com prim ento é extrem am ente superior à m aior dim ensão da seção, sendo ofertados em aços carbono e especiais.  Em aços carbono
• Perfis leves (h < 80 m m )
• Perfis m édios (8 0 m m < h <= 150 m m )
• Perfis pesados (h > 150 m m )
• Vergalhões
• Fio-m áquina (principalm ente para aram es)
• Barras (qualidade construção civil)
• Tubos sem costura
• Trefilados 11

1. 7 - Ferro Fundido Conform e m encionado no início da página, ferro fundido é um a liga de aço e carbono com teor deste últim o acim a de 2, 1 1%. Entretanto, um teor considerável de silício está quase sem pre presente e, por isso, alguns autores consideram o ferro fundido com o um a liga de ferro, carbono e silício. Outra característica é a existência de carbono livre, na form a de lam elas ou veios de grafita. Nos aspectos de com ponentes de liga e tratam entos térm icos, os ferros fundidos podem ser classificados em : C inzento : a superfície recém cortada tem aspecto escuro. O silício está presente em proporção considerável e a estrutura contém carbono livre (grafita) em form a de veios ou lam elas. Branco : a superfície recém cortada tem aspecto claro. Devido ao m enor teor de silício, a proporção de carbono livre é bastante pequena. M isto : um a m istura, em proporção que depende da aplicação desejada, do ferro fundido cinzento e do branco. M aleável : é o ferro fundido branco que sofre um tratam ento térm ico específico, form ando grafita na form a de nódulos. Nodu lar : No estado líquido, passa por um tratam ento especial para produzir grafita em form a esférica, o que confere um a boa ductilidade. Apesar de apresentarem em geral propriedades m ecânicas inferiores às dos aços, elas podem ser consideravelm ente m odificadas pela adição de elem entos de liga e tratam entos térm icos adequados. E os ferros fundidos podem substituir os aços em m uitas aplicações. Em algum as delas, ferros fundidos são m ais adequados que aços. Exem plo: estruturas e elem entos deslizantes de m áquinas são construídos quase sem pre em ferro fundido, devido á m aior capacidade de am ortecer vibrações, m elhor estabilidade dim ensional e m enor resistência ao deslizam ento, em razão do poder lubrificante do carbono livre em form a de grafita. 1.8 - Aço Aç o é a denom inação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0 , 008 a 2, 1 1%. Contendo outros elem entos residuais do processo de produção e podendo conter outros elem entos de liga propositalm ente adicionados. Se o aço não contém estes últim os, é cham ado especificam ente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acim a de 2 ,11%. 13

2 2.. ESESTTRRUUTTUURRAA CCRRIISSTTAALLIINNAA DDOOSS MMEETTAAIISS

2.1 - C ristalinidade e m icroestrutura Os aços diferenciam - se entre si pela form a, tam anho e uniform idade dos grãos que o com põem e, é claro, por sua com posição quím ica. Esta pode ser alterada em função do interesse de sua aplicação final, obtendo-se através da adição de determ inados elem entos quím icos, aços com diferentes graus de resistência m ecânica, soldabilidade, ductilidade, resistência à corrosão, entre outros. De m aneira geral, os aços possuem excelentes propriedades m ecânicas: resistem bem à tração, à com pressão, à flexão, e com o é um m aterial hom ogêneo, pode ser lam inado, forjado, estam pado, estriado e suas propriedades podem ainda ser m odificadas por tratam entos térm icos ou quím icos. 2.2 - A E strutura do Aço O aço, com o os dem ais m etais, se solidifica pela form ação de cristais, que vão crescendo a diferentes direções, form ando os denom inados 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 m assa do m etal se torne sólida. O conjunto form ado pelo eixo principal e secundários de um cristal é denom inado dendrita. Quando duas dendritas se encontram , origina-se um a superfície de contato e ao térm ino do processo de cristalização, form am cada um a os grãos que com põem o m etal, de m odo que todos os m etais, após sua solidificação com pleta, são constituídos de inúm eros grãos, justapostos e unidos. Fig. 2 .1 – Esquem a estrutural de um a dendrita A form ação de cristais no ferro ocorre segundo dois tipos de reticulados: o Ø e ß. Am bos fazem parte de um sistem a cristalino cúbico, ou seja, a unidade básica do cristal tem a form a de um cubo. No prim eiro tipo de reticulado (Ø) denom inado cúbico de corpo centrado (CCC), ao isolar-se a unidade básica do cristal, verifica-se que os átom os de ferro localizam - se nos oito vértices e no centro do cubo, enquanto que no segundo (ß) agora denom inado cúbico de face centrada, os átom os ficam posicionados nos oito vértices e no centro de cada face do cubo. 14

Além do ferro, o aço apresenta em sua constituição carbono e elem entos de liga. Estes elem entos vão form ar junto com o ferro um a solução e, de acordo com a tem peratura e a quantidade de carbono presente, haverá a presença de um determ inado tipo de reticulado. O aço é constituído de um agregado cristalino, cujos cristais (grãos) se encontram justapostos. As propriedades dos aços dependem m uito de sua estrutura cristalina, ou seja, de sua com posição quím ica, do tam anho dos grãos, de sua uniform idade. Os tratam entos térm icos bem com o os trabalhos m ecânicos m odificam em m aior ou m enor intensidade alguns destes aspectos (arranjo, dim ensões, form ato dos grãos) e, conseqüentem ente, podem levar a alterações nas propriedades de um determ inado tipo de aço, conferindo-lhe características específicas: m ole ou duro, quebradiço ou tenaz, etc. 2.3 - Ligação M etálica M as afinal, o que une os átom os m etálicos entre si? Se um átom o apresenta apenas uns poucos elétrons de valência, estes podem ser rem ovidos com relativa facilidade, enquanto que os dem ais elétrons são firm em ente ligados ao núcleo. Isto origina um a estrutura form ada por íons positivos (núcleo e elétrons que não pertencem à cam ada de valência) e elétrons livres. Com o os elétrons de valência podem se m over livrem ente dentro da estrutura m etálica, form am a nuvem eletrônica. N uve m

Ío n positiv o

• –^ – – – –

• – + + Figura 2.4. – L ig ação m etálica É por causa da natureza da ligação m etálica, que os átom os de um m etal podem ser visualizados com o esferas rígidas. Com o as propriedades condutividade elétrica e condutividade térm ica dos m etais podem ser explicadas? Os elétrons livres dão ao m etal sua condutividade elétrica elevada, pois podem se m over livrem ente sob a ação de um cam po elétrico. Da m esm a form a, a alta condutividade térm ica dos m etais está associada à m obilidade dos elétrons livres, que podem transferir energia térm ica de um nível de alta tem peratura para outro de baixa. 16

2.4 - D efeitos C ristalinos Defeito é um a im perfeição ou um "erro" no arranjo periódico regular dos átom os em um cristal. Podem envolver um a irregularidade:  Na posição dos átom os  No tipo de átom os O tipo e o núm ero de defeitos dependem do m aterial, do m eio am biente, e das circunstâncias sob as quais o cristal é processado. Verem os alguns defeitos no decorrer do texto, com o vazios, discordâncias, contorno de grão, etc. 2.4.1 - Por que os defeitos são im portantes? Os defeitos, m esm o em concentrações m uito pequenas, podem causar um a m udança significativa nas propriedades de um m aterial. Sem a presença de defeitos:  Os dispositivos eletrônicos do estado sólido não existiriam ;  Os m etais seriam m uito m ais resistentes;  Os cerâm icos seriam m uito m ais tenazes;  Os cristais não teriam nenhum a cor; 2.4.2 - E strutura G ranular dos M ateriais: Estrutura interna é definida com o o arranjo de elétrons e átom os dentro do m etal. Deve-se observar que um dado m aterial com determ inada com posição quím ica, a estrutura interna não é constante, podendo variar grandem ente, dependendo de: ( 1 ) com o o m aterial foi fabricado (condições de processam ento); ( 2 ) sob que condições o m aterial se encontra em serviço (tem peratura, pressão, agentes corrosivos, etc.). A análise da estrutura é feita, em geral, ao nível da resolução de m icroscópios ópticos (1 0 - 1200 x) ou de m icroscópios eletrônicos (2 000 - 100. 000 x). Esta estrutura observada é cham ada de microestrutura. Um conjunto de células unitárias form a o cristal com contornos geom étricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescim ento e devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a cham ar-se grão. Esses grãos são ligados entre si por um lim ite, denom inado contorno de grão. 17