Material Teórico sobre Materiais e suas Clasificações

Conteudista Prof Dr Victor Barbosa Felix Revisão Textual Laís Otero Fugaitti DESAFIO ATIVIDADE REFERÊNCIAS Material Teórico Material Complementar SituaçãoProblema Problema em Foco Atividade de Entrega Referências Projeto Integrador de Competências em Engenharia Mecânica VI Olá estudante Vamos iniciar a disciplina abordando os conceitos necessários para que você possa realizar a atividade através da situaçãoproblema mais à frente Introdução O processo evolutivo desenvolveu a capacidade de transformar recursos naturais em bens duráveis usados diretamente ou não no cotidiano de qualquer pessoa Como seres deste tempo herdamos as realizações desse processo A História mostra que o desenvolvimento e os avanços das sociedades estão ligados diretamente às habilidades dos seus membros de produzirem e manipularem materiais para satisfazerem as 1 6 Material Teórico Atenção estudante Aqui reforçamos o acesso ao conteúdo online para que você assista à videoaula Será muito importante para o entendimento do conteúdo exigências do meio De fato as civilizações antigas foram designadas conforme o nível de seu desenvolvimento em relação aos materiais como Idade da Pedra e Idade do Bronze Com a evolução do conhecimento em materiais também se descobriu que os metais poderiam ter suas qualidades melhoradas por meio de tratamentos térmicos ou pela adição de outros elementos formadores de ligas metálicas Assim os materiais sólidos são agrupados de forma objetiva em três classificações básicas Essa classificação está baseada principalmente na composição química e na estruturação atômica dos materiais A maioria destes se encaixa em um ou outro grupamento distinto embora existam alguns intermediários Esses materiais intermediários exigiram a criação de outros três grupos adicionais mas não menos importantes São eles Metais São rígidos e têm módulo de elasticidade relativamente alto A maioria em caso de metais puros é macia e fácil de deformar Podemos melhorálos com adição de elementos de liga e por tratamento térmico mas eles continuam dúcteis o que permite que sejam conformados por processos de deformação Certas ligas de alta resistência aços para molas por exemplo têm ductilidade de até 1 mas nem isso é suficiente para garantir que o material sofra escoamento antes de sofrer fratura e Metais Cerâmicos Polímeros Compósitos Semicondutores Biomateriais que essa fratura quando ocorrer seja tenaz dúctil Em parte por causa de sua ductilidade os metais são vítimas da fadiga e de todas as classes de materiais eles são os menos resistentes à corrosão Cerâmicas Os módulos de elasticidade são altos porém diferentemente dos metais elas são frágeis Sua resistência sob tração significa a resistência à fratura frágil sob compressão significa resistência ao esmagamento frágil que é aproximadamente quinze vezes maior Além disso como as cerâmicas não têm nenhuma ductilidade têm baixa tolerância a concentrações de tensões como orifícios ou trincas ou altas tensões de contato em pontos de fixação por exemplo Materiais dúcteis suportam concentrações de tensão deformandose de um modo que redistribui a carga mais equilibradamente e em razão disso podem ser usados sob cargas estáticas dentro de uma pequena margem de sua resistência ao escoamento As cerâmicas não podem Materiais frágeis elas sempre apresentam uma ampla dispersão para a resistência em si dependendo do volume de material sob carga e do tempo de aplicação da carga Portanto não é fácil projetar com cerâmicas como é com metais Apesar disso elas têm aspectos atraentes São rígidas duras e resistentes à abrasão daí sua utilização em mancais e ferramentas de usinagem conservam sua resistência em altas temperaturas e resistem bem à corrosão Vidros São sólidos não cristalinos amorfos Os mais comuns são vidros de cal de soda e de borossilicatos que conhecemos como garrafas e utensílios de cozinha mas há muitos mais Metais também podem tornarse não cristalinos por resfriamento suficientemente rápido A falta de estrutura cristalina suprime a plasticidade portanto como as cerâmicas os vidros são duros frágeis e vulneráveis a concentrações de tensões Polímeros Os polímeros são formados por macromoléculas orgânicas sintéticas ou naturais Podemos citar como exemplos de polímeros sintéticos os plásticos bem como as borrachas Por outro lado podemos citar como exemplos de polímeros formados por macromoléculas orgânicas naturais o couro a lã o chifre a seda e a madeira Uma característica importante é que os polímeros têm baixa resistência mecânica se comparados com outros materiais que também podem ser usados na engenharia Os polímeros também têm condutividade térmica e elétrica baixa Tipicamente são formados por cadeias lineares com ligações primárias fortes entre seus átomos e ligadas entre si por forças do tipo Van der Waals Uma característica muito importante é que se aquecidos os polímeros podem ser conformados mecanicamente repetidas vezes Esse fato possibilita a conformação a quente de componentes É importante destacar que dessa forma é possível também a reutilização de restos de produção e assim podemos reintroduzilos nos processos de fabricação quando necessário Devido a esse comportamento essas resinas podem ser moldadas por injeção por extrusão ou por outras técnicas Existem termoplásticos parcialmente cristalinos e termoplásticos amorfos Como exemplos podemos citar os seguintes termoplásticos típicos Elastômeros O termo vem do inglês elastomers elastic polymers e é comumente empregado para se referir a borrachas Borrachas ou elastômeros são materiais capazes de recuperarse rapidamente e forçadamente de uma grande deformação São conformáveis plasticamente e têm a característica de se alongarem elasticamente de forma intensa até atingir a temperatura de decomposição e mesmo em baixa temperatura os elastômeros mantêm essas características Estruturalmente são parcialmente cristalinos dessa forma são muito similares aos termoplásticos Podemos citar como exemplos Polietileno PE Cloreto de polivinila PVC Polipropileno PP Poliestireno PS Borracha de butila Borracha de nitrila Borracha de estireno Compósitos Vários materiais compósitos que consistem em mais de um tipo de material têm sido desenvolvidos pela engenharia A fibra de vidro é um exemplo familiar no qual fibras de vidro são incorporadas no interior de um material polimérico O objetivo principal dos compósitos é apresentar a combinação das melhores características de cada um dos materiais de que são formados Por exemplo a fibra de vidro adquire a resistência do vidro e a flexibilidade do polímero Cada vez mais compósitos estão sendo desenvolvidos Biomateriais Os biomateriais são empregados em componentes implantados no interior do corpo humano para a substituição de partes do corpo doentes ou danificadas Assim é importante que não produzam nenhum tipo de substância tóxica ao corpo humano sendo comparáveis aos tecidos e não causando nenhum tipo de reação ao corpo Semicondutores A principal característica dos semicondutores é que suas propriedades elétricas estão entre as propriedades dos materiais condutores e dos materiais isolantes ou seja são intermediárias Um fato importante é que os semicondutores são sensíveis a impurezas isto é suas características elétricas podem ser influenciadas até mesmo por minúsculas concentrações que podem ser controladas ao longo de regiões espaciais muito pequenas Nas duas últimas décadas o desenvolvimento dos circuitos integrados ocorreu graças aos semicondutores fato que contribuiu muito para a revolução na indústria de computadores e eletrônicos em geral Materiais Avançados Borracha natural e Neopreno São materiais geralmente aplicados quando se pensa em alta tecnologia ou hightech A alta tecnologia deve ser pensada em produtos ou dispositivos que operam por meio de princípios sofisticados e que estão relativamente entrelaçados Podemos citar como exemplos Os materiais avançados são materiais tradicionais que tiveram de alguma forma um melhoramento ou aprimoramento em suas principais características e propriedades Em muitos casos são também materiais com alto desempenho recentemente desenvolvidos Então podemos perceber que eles podem ser todos os materiais como polímeros metais cerâmicos etc A inovação tecnológica aliada à seleção de materiais teve um reconhecimento significativo a partir da implantação de novos materiais e em consequência da perda da importância e da procura de materiais pelo seu nome passando então a se dar notoriedade para suas propriedades particulares Isso não significa ignorância diante do novo e sim a perda do reconhecimento de determinados materiais frente ao desenvolvimento de combinações resultando em novos materiais Os materiais estão mais entranhados na nossa cultura do que a maioria de nós imagina por isso vivemos a idade dos materiais avançados pois o desenvolvimento e o avanço das sociedades estão intimamente ligados às habilidades em produzir e manipular materiais para satisfazer as necessidades Equipamentos eletrônicos videocassetes aparelhos de CD etc Computadores Sistemas de fibra ótica Espaçonaves Aeronaves Foguetes militares Temos também as ligas ferrosas muito utilizadas na engenharia Elas são produzidas em maior quantidade se comparamos com a produção de qualquer tipo de metal As ligas ferrosas são constituídas principalmente por ferro Seu amplo uso é resultado de três fatores A desvantagem principal é a suscetibilidade à corrosão Muito utilizado na indústria o aço é uma liga composta principalmente por ferro carbono e outros elementos em menor quantidade como o enxofre o fósforo e o silício Existe uma infinidade de ligas que podem possuir composições diferentes bem como tratamentos térmicos diferentes Comumente a maioria dos aços utilizados são classificados em função de sua concentração de carbono que normalmente é inferior a 15 pois suas características físicas e mecânicas são muito sensíveis à quantidade de carbono existente na liga Então muitas vezes o aço pode ser classificado ou nomeado em função do teor de carbono como Mesmo dentro dessa classificação existem outras subclasses em cada grupo em função da quantidade ou das concentrações de outros elementos Os compostos que contêm ferro existem em grandes quantidades no interior do nosso planeta isto é na crosta terrestre O ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidos usando técnicas de extração beneficiamento formação de ligas e fabricação relativamente econômicas As ligas ferrosas possuem ampla variedade de propriedades físicas e mecânicas o que as torna muito versáteis podendo ser facilmente adaptadas para diversas propriedades Baixo teor de carbono Médio teor de carbono Elevado teor de carbono Quando pensamos nos aços comuns podemos encontrar impurezas como manganês além do carbono Porém existem aços e ligas que contêm propositalmente outros elementos em quantidades específicas que dão características diferenciadas para a liga Baixo Teor de Carbono Entre todos os tipos diferentes de aços aqueles produzidos em maior quantidade se enquadram dentro da classificação de baixo teor de carbono Esses aços contêm geralmente menos que aproximadamente 025 de carbono e não respondem a tratamento térmico com o objetivo de formar martensita o aumento de resistência é obtido por meio de trabalho a frio Exemplos de aplicações são eixos de grandes seções e aros de rodas automotivas Figura 1 entre outros Figura 1 Rodas de aço Fonte Divulgação Médio Teor de Carbono Os aços classificados como tendo médio teor de carbono contém de 025 a 060 de carbono em sua composição podendo ser tratados termicamente por austenitização ou têmpera e depois revenimento para melhorar as suas propriedades mecânicas Exemplos de aplicação Figura 2 eixos cubos de rodas balancins engrenagens parafusos pinos etc Figura 2 Exemplos de aplicação Fonte Divulgação Aços com Alto Teor de Carbono Os aços que se enquadram no grupo com alto teor de carbono possuem uma variação de 060 a 14 de carbono na composição Com isso eles são mais duros e se tornam mais resistentes por outro lado acabam tendo uma ductilidade menor em comparação aos outros tipos de aço carbono São quase sempre usados em uma condição endurecida e revenida e como tal são especialmente resistentes aos desgastes e à abrasão e capazes de suportar um fio de corte afiado Exemplos de aplicação bielas prato de molas braço de direção semieixos eixos de partidas ferramentas manuais etc No text found in the image Figura 3 Exemplo de aplicação Fonte Pexels Para verificar a porcentagem de carbono nos aços é necessário observar os dois últimos algarismos da especificação deles Por exemplo SAE 1020 020 C Processos de Fabricação Para produzir peças o engenheiro precisa determinar o melhor processo de fabricação as máquinas as ferramentas e as técnicas de fabricação Uma análise bem detalhada poderá resultar em redução de custo e tempo de fabricação e na simplificação de processos Para isso vejamos alguns métodos de fabricação O processo que remove material utilizando ferramentas de corte fazendo com que a peça bruta que contém mais material e é maior que a peça desejável adquira as dimensões e o formato esperados é denominado usinagem Nesse processo o material removido pela ferramenta é denominado cavaco sendo produzido pelo contato da ferramenta com a peça bruta A seguir serão apresentadas algumas das operações de usinagem Torneamento processo no qual se retira material da peça bruta conhecida como tarugo matériaprima que tem inicialmente um formato cilíndrico Para isso a ferramenta translada sobre o tarugo retirando material e formando cavaco enquanto a peça gira em torno do seu próprio eixo Aplainamento processo no qual a peça fica parada estática e a ferramenta de corte translada na superfície dela retirando material com o objetivo de aplainar ou deixar a superfície plana até alcançar as dimensões desejáveis Uma das informações importantes é a velocidade de corte Ela será responsável pela rotação ideal para usinar os materiais evitando quebra prematura da ferramenta e promovendo acabamento superficial conforme o projeto produtividade e qualidade Outros fatores importantes para que influenciam na usinagem são a profundidade de corte ap e o avanço f O parâmetro que está diretamente envolvido com o desgaste o tempo de usinagem as condições de corte e o acabamento é a velocidade de corte vc Velocidade de corte é o espaço que a ferramenta percorre cortando material dentro de determinado tempo Vários fatores influenciam na velocidade de corte Fresamento o fresamento caracterizase pelo uso de uma ferramenta de corte com vários gumes multicortante que gira enquanto é pressionada sobre a peça para realizar a usinagem A peça também se movimenta durante o processo A superfície usinada resultante pode ter diferentes formas planas e curvas de acordo com a forma da ferramenta e o caminho percorrido por esta sobre a peça Furação nesse caso a ferramenta denominada broca que também é multicortante executa dois movimentos a translação linear e a rotação em torno de seu próprio eixo com o objetivo de fazer um furo na peça que permanece estática Retificação esse processo é realizado pela abrasão de grãos que formam a ferramenta e com isso é possível remover material da peça Nesse caso os grãos contêm os gumes que retiram material da peça porém eles acabam não possuindo uma geometria definida A ferramenta pode se movimentar linearmente girando em torno do seu próprio eixo Existem casos em que a peça executa o movimento sobre a ferramenta que se mantém estática Uma das características da retificação é sua precisão considerada muito alta e a possibilidade de polimento da superfície da peça Em todo processo de usinagem há parâmetros para deixar o acabamento superficial conforme o projeto de engenharia Para isso devemos informar aos operadores de máquinas as condições de usinagem A composição da ferramenta A composição do material a ser usinado Nas máquinasferramentas em que o movimento de corte é produzido pela rotação da ferramenta ou da peça determinase o número de rotações por minuto n por meio de cálculo ou com o auxílio de gráficos ou diagramas Isso depende da velocidade de corte em metros por minuto mmin determinada pelas condições de usinagem e pelo diâmetro d da peça ou ferramenta em milímetros mm É expressa em rotações por minuto rpm Embora exista uma fórmula que expressa a velocidade de corte ela é fornecida por tabelas que compatibilizam o tipo de operação com o tipo de material da ferramenta e o tipo de material a ser usinado Quando o trabalho de usinagem é iniciado é preciso ajustar a rotação da máquina ferramenta considerando as rpm Isso é feito tendo como dado básico a velocidade de corte A escolha da velocidade de corte correta é importantíssima tanto para a obtenção de bons resultados de usinagem quanto para a manutenção da vida útil da ferramenta e para o grau de acabamento O tipo de operação a ser realizada As condições de refrigeração As condições da máquina etc n Rotações por minuto rpm VC Velocidade de Corte mmin Π Adimensional d Diâmetro mm Instrumento de Medição O paquímetro é um instrumento que tem como objetivo ser utilizado para medir dimensões lineares que podem ser tanto internas quanto externas Também pode ser utilizado para medir a profundidade de uma peça Consiste em uma régua graduada com encosto fixo sobre a qual desliza um cursor O cursor ajustase à régua e permite sua livre movimentação com um mínimo de folga Ele é dotado de uma escala auxiliar chamada nônio ou vernier Essa escala permite a leitura de frações da menor divisão da escala fixa É um instrumento versátil para realizar medições em máquinas processo inspeção e controle durante e após a fabricação Figura 4 Paquímetro Fonte Reprodução Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta disciplina LIVROS Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais O livro tem um equilíbrio entre teoria e prática apresentando diversos tipos de materiais utilizados em Engenharia SMITH W F HASHEMI J Fundamentos de engenharia e ciência dos materiais 5 ed Porto Alegre AMGH 2012 ebook Princípios dos processos de fabricação utilizando metais e polímeros Esse livro faz uma introdução aos processos de fabricação e separa a fabricação em duas direções de processos uma para materiais metálicos e outra para materiais poliméricos Para tanto os processos de fabricação foram classificados seguidos de uma breve explicação sobre a teoria do princípio dos processos que apresenta as grandezas físicas e os materiais processados resolve exemplos e propõe exercícios Tais informações foram colhidas por meio de anotações apontamentos realizados em sala de aula e na indústria consultas a catálogos de fabricantes e livros que tratam de fabricação LIRA V M Princípios dos processos de fabricação utilizando metais e polímeros São Paulo Blucher 2017 ebook 2 6 Material Complementar VÍDEOS Fluxo de Produção do Aço O vídeo dá um panorama sobre como é feito o aço Clique no botão para conferir o conteúdo ASSISTA Processos de Fabricação 34 Por dentro do torneamento O vídeo muito detalhado aborda o processo de torneamento Clique no botão para conferir o conteúdo ASSISTA Caroa estudante Agora vamos compreender o cenário que será abordado na situaçãoproblema da disciplina Atentese à situação profissional que você precisará entender para poder realizar a atividade Uma montadora resolveu lançar um novo conceito de automóvel mais leve e econômico para atender a consumidores exigentes Uma das equipes de Engenharia ficou responsável por projeto especificação de material e fabricação de um componente a ponta de eixo peça muito importante para a movimentação desse automóvel Sabendo disso a equipe levou em consideração algumas características iniciais como peso tempo de uso custo e facilidade de realizar as manutenções do produto Em relação às considerações iniciais qual tipo de material das seis grandes famílias foi selecionado para a fabricação da peça 3 6 SituaçãoProblema 1 2 A equipe de Engenharia irá selecionar o tipo de aço para confecção da peça no caso a ponta de eixo A porcentagem de carbono na liga irá indicar a dureza do material e será determinante para o seu bom funcionamento A porcentagem de carbono é informada nos aços nos dois últimos algarismos Qual é o melhor aço para a construção da ponta de eixo Para a fabricação da ponta de eixo há uma combinação de operações de usinagem para obter a forma e as dimensões finais para a peça ser montada no automóvel mantendo uma qualidade satisfatória Observando a figura quais são os processos de usinagem aplicados para obter a peça 3 Figura 5 Ponta de eixo usinada Fonte Reprodução A atividade tem como objetivo contribuir para que você adquira conhecimentos interdisciplinares que permitam avaliar e resolver problemas de sua habilitação específica e multidisciplinares A atividade se baseia no projeto e produção de uma peça a ponta de eixo em função de um novo produto que será lançado por uma montadora de automóveis Você deve saber qual é o material utilizado qual é a sua classificação e quais características desse material que será utilizado devem ser escolhidas Também precisa saber quais processos de fabricação devem ser utilizados para a fabricação dessa peça Para isso é necessário interpretar a situação apresentada com base no conhecimento adquirido ao longo do semestre e no conteúdo teórico respondendo às questões apresentadas na situaçãoproblema Com isso é possível adquirir competências relacionadas a uma grande área da engenharia mecânica que no curso é lecionada em algumas disciplinas específicas Também deve haver um exemplo das etapas iniciais para o desenvolvimento e produção de peças em uma situação real 4 6 Problema em Foco Muito bem estudante Agora que você já leu a situaçãoproblema você pode fazer o download deste arquivo para realizar a atividade de entrega Caso prefira o arquivo também se encontra no Ambiente Virtual de Aprendizagem 5 6 Atividade de Entrega AÇOS ROMAN SAE 1045 Aço Carbono Especial p Construção Mecânica Disponível em httpsacocombracosae1045acocarbonoespecial Acesso em 01122021 APERAM O que é aço carbono Disponível em httpswwwaperamcomptbroqueeaco carbono Acesso em 01122021 CALLISTER JUNIOR W D RETHWISCH D G Ciência e engenharia de materiais uma introdução 8 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2012 ebook FITZPATRICK M Introdução aos processos de usinagem Porto Alegre Bookman 2013 ebook GARCIA A SPIM J A SANTOS C A Ensaios dos materiais 2 ed Rio de Janeiro Grupo GEN 2012 e book INTRUSUL Paquímetro como medir com este instrumento Disponível em httpsbloginstrusulcombrpaquimetrocomomedircomesteinstrumento Acesso em 01122021 NOVASKI O Introdução à engenharia de fabricação mecânica 2 ed São Paulo Blucher 2017 p 135 153 ebook PORTAL AUTO Acessórios Disponível em httpsportalautocombracessorios Acesso em 01122021 6 6 Referências