Laboratório de ciência dos materiais de construçÃo mecânica – mcm 60 Sem. Prof. Barbieri



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LABORATÓRIO DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA – MCM - 60 Sem. - Prof. Barbieri
10 LABORATÓRIO – TEMPERABILIDADE - ENSAIO JOMINY DO

AÇO AISI/ SAE 1045H e 4130
Objetivo: O conceito de temperabilidade está associado à capacidade de endurecimento do aço durante o resfriamento rápido (têmpera), ou seja, sua capacidade de formar martensita a uma determinada profundidade em uma peça.
Introdução:

Consiste em resfriar, a partir do estado austenítico uma única barra de 1 polegada de diâmetro por 4 polegadas de comprimento. Essa barra é austenitizada e em seguida resfriada com um jato de água em condições padronizadas (Figura 1) .



Figura 1 - Equipamento para executar o ensaio Jominy (fonte: Shackelford).


Depois de resfriada, faz-se, longitudinalmente, uma trilha retificada na amostra e mede-se a dureza a partir da extremidade resfriada (Figura 2).

Figura 2 – Valores resultantes da dureza ao longo da barra do corpo de prova (fonte: Shackelford).


Note-se que quanto maior é a velocidade de resfriamento, maior é a dureza. Isto está diretamente relacionado aos produtos resultantes do resfriamento: martensita, perlita fina e perlita grossa. A presença de elementos de liga retarda o início das transformações difusivas. Este fato pode ser visto como um deslocamento para a direita das curvas em C dos diagramas TTT. Isto é refletido no ensaio Jominy como uma distância maior endurecida, a partir da extremidade resfriada. Esta é a profundidade de endurecimento ou endurecibilidade ou ainda temperabilidade. Aços de elevada endurecibilidade possibilitam a obtenção de martensita, de elevada dureza, em componentes de grandes dimensões, tais como matrizes.

Metodologia:

1) Determinação da profundidade de dureza pelo método jominy
1- Ligar o forno e ajustar a temperatura a 850ºC.
2- Colocar o corpos de prova dentro do forno (1045), que deverá estar com a temperatura estabilizada e esperar normalizar a amostra à uma temperatura de 850ºC .
3- Aguardar 60 min (encharque).
4- Ajustar o dispositivo Jominy.
5 - Retirar um corpo de prova do forno e colocá-lo no dispositivo para têmpera dirigindo o jato de água na extremidade inferior do mesmo. A parte inferior do corpo de prova deve ficar a ½” de distância da extremidade de saída do cano.

6 - O tempo decorrente desta operação não deve ultrapassar 5 segundos e o tempo máximo de permanência do corpo de prova no dispositivo é de 10 minutos.


6- Retirar o ressalto e retificar duas superfícies planas à 180º e 0,6 mm de profundidade.
7- Medição de dureza do corpo de prova (1045) e para comparação, um corpo de prova (4130) já efetuado em aulas anteriores, só para comparação.
8 - Utilizando a escala HRC, efetuar as medições sobre as superfícies plana obedecendo as distâncias, a partir da face inferior, indicadas na tabela 3.
9 - Construir o gráfico (Figura 1) com os dados obtidos no ensaio na tabela 1.
Tabela 1 - Medições sobre as distâncias desejadas, a partir da face inferior,

Resultado do Ensaio de temperabilidade Jominy do AISI/ SAE 1045H / 4130

Distância (pol)

Dureza (HRC) 4130

Dureza (HRC) 1045H




1/16










3,16










7/16










13/16










1 1/4










1 5/8










2










2 ½










2 3/4










3 1/2












Figura 3 – Dureza em função das distâncias temperadas.
Distância Jominy e dureza equivalente ao centro de uma barra temperada de um aço
Utilizando este procedimento se chega a determinar com boa aproximação a dureza de cilindros de aço temperados, ligando os ensaios de Jominy com os resultados experimentalmente. A velocidade de resfriamento de uma peça depende do tamanho da peça, do meio de resfriamento e da temperatura de têmpera. Isto quer dizer que se conhece a dureza que adquire um aço depois da têmpera, quando o resfriamento foi feito de uma forma determinada, conheceremos também a dureza de qualquer ponto ou perfil do mesmo aço que se tenha resfriado de forma análoga, independente de sua posição na peça, da forma e tamanho desta, bem como do meio de resfriamento empregado.

Conhecendo-se as durezas obtidas ao efetuar-se um ensaio de Jominy de um aço e as condições de resfriamento dos diferentes pontos do corpo-de-prova, pode-se conhecer a dureza que se obtém no interior de peças resfriadas nas mesmas condições. Deste modo as curvas de Jominy podem ser utilizadas para se predizer a distribuição de dureza em barras de aço de diferentes dimensões, resfriadas em vários meios de resfriamento. As velocidades de resfriamento nos vários pontos do corpo-de-prova de Jominy podem ser comparadas com as velocidades de resfriamento em barras de vários diâmetros resfriadas em vários meios de resfriamento. Esta comparação pode ser feita pelos “gráficos de Lamont”. Estes gráficos são conhecidos e servem para que se possam encontrar as velocidades de resfriamento em diversas posições de uma barra, desde o centro até a superfície, quando resfriada em condições normais, isto é, mergulhando-a totalmente no meio de resfriamento. Uma vez encontrada a velocidade de resfriamento em uma determinada posição da barra poderemos utilizar um gráfico de ensaio de Jominy de um aço específico para sabermos a dureza a ser obtida. Desta maneira poderemos prever o perfil de durezas de uma barra temperada em um meio de resfriamento qualquer, sem que se tenha que recorrer ao corte da mesma.


Para relacionar os resultados deste ensaio com aplicações práticas, devem ser feitas algumas correlações como a severidade do meio, e a seção transversal da peça a ser temperada.
Tabela 2 - Fator de severidades de tempera







a) centro b) 90 % do raio



c) 70 % do raio d) 50 % do raio



e) 30 % do raio f) 10 % do raio



Figura 4 - Pontos situados da distância Jominy: centro , 90, 70, 50, 30, 10% do raio da barra para vários meios de resfriamentos (Lamont).




.

Figura 5 – Gráfico de resultados de um ensaio de Jominy de um aço SAE 4130 e 1045H. As curvas representam os valores máximos e mínimos permitidos por norma

2) Determinação do ponto do corpo de prova Jominy equivalente a curva de resfriamento no interior de uma barra SAE/AISI 1045H.
Qual a dureza de uma barra de aço SAE 1045H e 4130H se estivermos utilizando uma distância Jominy equivalente ao centro de uma barra cilíndrica com diâmetro de 2 polegadas temperada em água sem agitação (nenhuma).
a) Através da Tabela 2, obter o fator de severidade equivalente da água sem agitação (H);
b) Consultar a figura 4a, extrair a distância Jominy da extremidade resfriada em polegadas.
c) Consultar a figura 5 e extrair a dureza equivalente da distância da extremidade temperada.
d) repetir os itens (a), (b) e (c) para dureza e distância Jominy equivalente 30% do raio de uma barra cilíndrica com diâmetro de 2 polegadas temperada em água sem agitação (nenhuma).
e) repetir os itens (a), (b) e (c) para dureza e distância Jominy equivalente 90% do raio de uma barra cilíndrica com diâmetro de 2 polegadas temperada em água sem agitação (nenhuma).
Dados: Tabela 3 - conversão de polegadas para centímetros.

Distância (pol)

Distância (cm)

1/16

0,16

3,16

0,48

7/16

1,11

13/16

2,06

1 1/4

3,18

1 5/8

4,12

2

5,08

2 ½

6,35

2 3/4

6,98

3 1/2

8,89



LABORATÓRIO DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA – MCM - 60 Sem. - Prof. Barbieri
20 LABORATÓRIO – Ensaios Não Destrutivos: Líquido Penetrante.


Objetivo: Tem a finalidade de detectar descontinuidades que sejam superficiais e que estejam abertas na superfície, como trincas, dobras, poros, etc. Detecta descontinuidades que sejam superficiais e que estejam abertas na superfície. Método aplicado em todos os tipos de materiais sólidos, mas que não sejam porosos e nem possuam a superfície grosseira;
Equipamento utilizado:


Corpos de prova utilizados:


  • Cordão de solda em placa metálica.


Procedimento Experimental:






Prática


  • Fazer a limpeza da peça;

  • Aplicar o penetrante e aguardar 15mim. (registrar com foto);

  • Limpar a peça retirando o excesso de penetrante com agua ou pano com removedor, secar;

  • Aplicar o revelador e aguardar 15mim. (registrar com foto);

  • Um relatório deve ser feito, mostrando a identificação da peça ensaiada, resultados da inspeção e condição de aprovação ou rejeição da peça. E através Especificação técnica para Líquidos Penetrantes - CCH-70 / PT 70-2 verificando se as continuidades são lineares, arredondadas ou alinhadas.


Relatório: (deve constar no relatório)








LABORATÓRIO DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA – MCM - 60 Sem. - Prof. Barbieri
30 LABORATÓRIO – Ensaio de dureza do aço SAE 1045 e Alumínio 2024-T3


Objetivo:


  • Conhecer uma das propriedades mecânicas de um material (dureza).

  • Familiarizar com equipamento de medida de dureza Rockwell.

  • Executar ensaio de dureza na escala Rockwell B e C em alguns materiais.

  • Verificar a correspondência de dureza Rockwell para dureza Brinell e Vickers.


Equipamento utilizado:


  • Durômetro Rockwell - modelo: (Twin type) 963-102R

- fabricante: Mitutoyo -www.mitutoyo.com.br
Corpos de prova utilizados:


  • Material: barra de aço carbono 1020 CP1

  • Material: barra de carbono 1045 CP2

  • Material: barra de carbono 1070 CP3

  • Material: barra liga 4130 CP4


Procedimento Experimental:


  • Ensaio pelo método Rockwell Normal.




  • Instrução, procedimento e aprendizagem do equipamento realizada durante a explicação do professor exposta na aula.




  • Medir os corpos de provas selecionados nas escalas indicadas pelo professor.




  • Aquisição de dados retirados no equipamento e elaboração do relatório.




  • Fazer um relatório em grupo (até 6 integrantes)



Prática


  • Medir na escala Rockwell C a barra de aço carbono 1045

Medir na escala Rockwell B a barra de aço carbono 1045


  • Medir na escala Rockwell B a barra de aço 1020

  • Medir na escala Rockwell C a barra de aço 1020




  • Medir na escala Rockwell B a barra de aço 1070

  • Medir na escala Rockwell C a barra de aço 1070




  • Mediante a Tabela dada, verificar as correspondências da escala Rockwell C das barras de aço carbono para as durezas: Vickers e Brinell



Preencher a tabela com os dados de dureza medidos no equipamento


material

Corpo de prova

10 medida

20 medida

Média

HRC

1020

CP1







*

HRB

1020

CP1










HRC

1045

CP2







*

HRB

1045

CP2










HRC

1070

CP3







*

HRB

1070

CP3










HRC

4130

CP4







*

HRB

4130

CP4














Material

HRC

Vickers

Brinell

Aço 1020

*







Aço 1045

*







Aço 1070

*







Aço 4130

*







* a conversão do tipo de dureza é somente para o valor medio da dureza da barra de aço carbono 1045 na escala Rockwell C

Exercícios:


  1. Vantagens e desvantagens do método de ensaio de dureza Rockwell em relação aos métodos Brinell e Vickers:

  2. Relação entre profundidade e dureza Rockwell normal e superficial.

  3. O resultado do ensaio de dureza Rockwell para uma chapa de aço de 2,0 mm de espessura é de 37 HRC. Este resultado é válido? Justifique.

  4. Responder:

a) Penetrador utilizado:

Rockwell C .......................

Rockwell B .......................

b) Converter:

1kgf = .............N


c) Pré-carga das escalas:(em N e kgf)

Rockwell C .......................

Rockwell B .......................

d) Cargas aplicadas das escalas :(em N e kgf)

Rockwell C .......................

Rockwell B .......................


e) No ensaio de dureza Rockwell, a profundidade da impressão que serve como base da medida da dureza é causada pela: ..........................................(pré-carga, carga maior, pré-carga mais carga maior; carga maior menos pré-carga.
f) Calcule a espessura mínima que deve ter uma chapa que será ensaiada pelo método Rockwell, sabendo que a dureza estimada do material é 45 HRC.

Resposta:...........................

g) Fazer um resumo sobre as durezas Rockwell, Brinell e Vickers ( mínimo 5 linhas)

Relatório: (deve constar no relatório)


  • Titulo

  • Objetivo

  • Responder o questionário (acima)

  • Das aquisições de dados, fazer o comentário sobre:

* Comparação e discussão do valor (médio) da dureza das barras de aço carbono 1020, 1045, 1070 e 4130 nas escalas Rockwell C e Rockwell B, e explicar o porquê não se deve usar os aços carbonos 1045, 1070 e 4130 na escala B.


* Plotar um gráfico colocando no eixo x os aços 1020, 1045, 1070 e 4130 em função da dureza HRC e explicar o gráfico sobre a diferença das dureza nos diferentes aços.
* Mediante a Tabela dada, verificar as correspondências da escala Rockwell C das barras de aço carbono para as durezas: Vickers e Brinell.





LABORATÓRIO DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA – MCM - 60 Sem. - Prof. Barbieri
40 LABORATÓRIO – ENSAIO DE TRAÇÃO EM LIGAS DE ALUMINIO

ALUMÍNIO AERONÁUTICO (2024T3) E ALUMÍNIO LIGA (3003)
Objetivo: Determinação das propriedades mecânicas pelo método de ensaio de tração em metais não ferrosos a temperatura ambiente.

O ensaio consiste em solicitar o corpo de prova com esforço de tração, geralmente até a ruptura, com o propósito de se determinar uma ou mais das propriedades mecânicas solicitadas através de algumas fórmulas ou até mesmo de dados retirados da curva tensão-deformação.


Procedimento experimental


  • Caracterização da curva tensão-deformação e seus parâmetros significativos

  • Ensaio de tração de chapa de alumínio comum e aeronáutico


0,3%


Resultados práticos obtidos no ensaio de tração do equipamento.


  1. Com o ensaio de tração prático (última folha) das ligas de alumínio realizado, identificar no gráfico e preencher a Tabela 1:




    • Modulo de elasticidade

    • Tensão de escoamento, considerando o método de 0.3% de defasagem

    • Tensão máxima

    • Tensão de ruptura

    • Ductilidade (Deformação específica (%))


Tabela 1 - Dados extraídos do relatório de ensaio pratico de tração (gráfico)

Corpo de prova

Tensão Máxima (MPa)

Tensão de Ruptura (MPa)

Módulo de elasticidade

(MPa)

Deformação específica (%)

Tensão de escoamento

(MPa)

CP1 2024
















CP2 3003















2. Discussão sobre os resultados do gráfico prático dos alumínios (2024 e 3003) analisando as propriedades mecânicas entre as duas ligas, correlacionando com as suas composições químicas.
3. Correlacionar as propriedades do alumínio 2024 do ensaio teórico com o prático (ultima folha)


Fórmulas :
T
ensões (máxima e ruptura)

A0 =  D2/ 4


Sendo:

= Tensão => máx =tensão no ponto máximo rup = tensão no ponto da ruptura

F = Força aplicada

Ao = Área da seção inicial do corpo onde é diretamente aplicada a carga.

D = diâmetro da seção transversal



Módulo de Elasticidade


E =

ou



Tg  =  = E



Coef. angular




1MPa = 145 psi

1 psi = 6,90.10-3MPa

1MPa = 1 N/mm2

1MPa = 106 Pa

1Pa = 1 N/m2



Deformação específica
Alongamento % EL = [L –L0 / L0 ]x100
Estricção % RA = [A0 –A / A0 ]x100
Sendo:

A = Área da seção final do corpo

Ao = Área da seção inicial do corpo onde é diretamente aplicada a carga.

D = diâmetro da seção transversal final



Do = diâmetro da seção transversal inicial

Ensaio teórico - Exercício – Alumínio Aeronáutico 2024 T3
Preencher a tabela abaixo:

F( N)


ε = x100(%)


(mm)

l (comprimento inicial) (mm)



0




0

25




1330




0,051

25




2173




0,062

25




2798




0,106

25




3834




0,221

25




4524




0,521

25




5034




1,112

25




5534




1,500

25




5498




1,840

25




5425




1,901

25




Dados: Largura = 12,65mm e espessura 1,09mm inicial do CDP Largura = 10,33 mm e

espessura = 0,09 final (ruptura) do CDP


Calcule S (área) =

Trace a curva Tensão x Deformação e determine as propriedades mecânicas solicitadas.




a) Determine a Deformações Específicas (alongamento e estricção)

  1. Determine as Tensões de ruptura e máxima

  2. Módulo de elasticidade do material


E
119
nsaio prático


0,3%



vermelho

azul




0,3%



LABORATÓRIO DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA - 60 Sem. - Prof. Barbieri
50 LABORATÓRIO – TRATAMENTO TÉRMICO EM LIGAS DE ALUMÍNIO
Objetivo: O tratamento térmico do alumínio refere-se aos processos básicos de aquecimento e/ou resfriamento controlados do metal, com o principal objetivo de gerar benefícios e melhorar as características metal-mecânicas das peças produzidas em alumínio.

Metodologia:


  • As amostras sofretram tratamento térmico de solubilização a 540°C por 1 hora, seguido de resfriamento em água (Têmpera à +/- 200C).



  • Após a solubilização e têmpera, o tratamento de envelhecimento foi realizado a 190°C, no qual cada amostra foi submetida a tempos diferentes de tratamentos: ½ h, 2h, 6h, e 24h, seguido de resfriamento em água. Para efeito de comparação, uma amostra foi somente solubilizada e uma outra temperada.



  • amostras de liga de alumínio 2024 (1);



  • amostras solubilizadas a 540ºC e 1h (2);



  • amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 1/2 h (3);



  • amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 2 h (4);

  • amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 6 h (5);



  • amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 12 h (6);



  • amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190 ºC por 24 h (7).



Caracterização Pratica:
Mecânica: Dureza


  • Executar ensaios de dureza Rockweel B para cada amostra indicada (1 a 7);



  • Montar um gráfico de dureza em função das amostras estudadas (1 a 7), e identifique cada amostra e explique os perfis de dureza correlacionando os tratamentos de cada amostra;



Preencher a tabela com os dados de dureza medidos no equipamento


material

10 medida

20 medida

Média

Alumínio 2024 sem tratamento










Alumínio 2024 solubilizado










Alumínio 2024 envelhecido a ½ h










Alumínio 2024 envelhecido a 2 h










Alumínio 2024 envelhecido a 6 h










Alumínio 2024 envelhecido a 12 h










Alumínio 2024 envelhecido a 24 h












  1. Construir um gráfico de dureza em função do tempo de envelhecimento e discutir os resultados e correlacionar com a coerência dos precipitados.



Caracterização Teórica
Mecânica: Tração (escoamento)


  • Mediante o gráfico anexo de ensaio de tração, comparar as amostras ensaiadas (CP1 a CP6), identifique cada amostra e explique a diferença da tensão de escoamento para cada condição de tratamento indicado (padrão, solubilizada, envelhecida em ½, 2, 6 e 12 horas);





  1. Discutir os resultados da tensão e correlacionar com a coerência dos precipitados.




  1. Escrever a reação química da liga Al-Cu da nucleação dos precipitados (fases de transições – sequenciam de precipitação).




  1. Explicar cada etapa do tratamento térmico.




  1. Para que serve esse tratamento térmico?




  1. O que é Superenvelhecimento?



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