Materiais metálicos



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Mecânica dos Materiais

Ensaios de dureza

Podemos definir dureza como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. Ao contrário do anterior, o ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Essa característica faz dele um importante meio de controlo da qualidade do produto.


Dureza Brinell:

Seja um material, representado em verde na figura ao lado, que é submetido à acção de uma esfera de material duro de diâmetro D, comprimida por uma força F. Isso produz uma cavidade no material de diâmetro d. A dureza Brinell (HB) do material é dada pela fórmula:



HB = 2 F / {π D [D - √ (D2 - d2)]}
A unidade kgf/mm2, que deveria ser sempre colocada após o valor de HB, é omitida, uma vez que a dureza

Brinell não é um conceito físico satisfatório, pois a força aplicada no material tem valores diferentes em cada ponto da calota.

Para alguns materiais, a resistência à tracção pode ser estimada a partir da dureza Brinell com relação

σB = k HB
A tabela abaixo dá alguns valores de k.


Material

Aço-carbono

Aço-liga

Cobre, latão

Bronze laminado

Bronze fundido

k

0,36

0,34

0,40

0,22

0,23

Material

Liga Al Cu Mg

Liga Al Mg

Outras ligas Mg

Alumínio fundido

-

K

0,35

0,44

0,43

0,26

-



Dureza Rockwell:

Para materiais duros, o objecto penetrante é um cone de diamante com ângulo de vértice de 120º. Esta escala é chamada Rockwell C ou HRC.

Com materiais semi-duros ou macios é usada uma esfera de aço temperado de diâmetro 1/16". É a escala Rockwell B ou HRB.

Em ambos os casos, é aplicada uma carga padrão definida em normas e a dureza é dada pela profundidade de penetração.

Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir um contacto firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita.

A leitura do grau de dureza é feita directamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material.

Equipamento para ensaio de dureza Rockwell


Dureza Vickers:

É usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária F, contra a superfície do material. Calcula-se a área S da superfície impressa pela medição das suas diagonais. E a dureza Vickers HV é dada por F/S.

Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área e, portanto, o resultado não depende da força, o que é muito conveniente para medições em chapas finas, camadas finas (cementadas, por exemplo).

Dureza Janka:

É uma variação do método Brinell, usada em geral para madeiras. É definida pela força necessária para penetrar, até a metade do diâmetro, uma esfera de aço de diâmetro 11,28 mm (0,444 in).

O resultado é, portanto, uma força e não há um padrão de unidade. Nos Estados Unidos é usada libra-força, em alguns países europeus, quilograma-força ou newton ou quilonewton.

Ensaio de fluência

Neste ensaio, dois novos factores entram em jogo: o tempo e a temperatura.

Estudando os assuntos desta aula, você vai ficar sabendo como o tempo e a temperatura afectam a durabilidade de um produto, quais os tipos de ensaios de fluência e como são feitos. No final, poderá tirar suas próprias conclusões a respeito da importância deste tipo de ensaio.
O que é a fluência

A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo. A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenómeno.

A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem.

Existem metais que exibem o fenómeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas.

As exigências de uso têm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistam melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste ensaio.
O tempo e a temperatura

Os ensaios que analisamos anteriormente neste livro são feitos num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou, no máximo, minutos.

Porém, nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico.

Essas deformações ocorrem mais frequentemente em situações de uso do produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação.

Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante.

Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significativas alterações na velocidade de fluência.

Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1.000 horas: à temperatura de 500ºC, apresentou uma deformação de 0,04% e à temperatura de 540ºC apresentou uma deformação de 4%.

Imagine a importância desta característica para os foguetes, aviões a jacto, instalações de refinarias de petróleo, equipamentos de indústria química, instalações nucleares, cabos de alta tensão etc., nos quais os esforços são grandes e as temperaturas de trabalho oscilam em torno de 1.000ºC.


Equipamento para ensaio de fluência

Na maioria dos casos, avalia-se a fluência de um material submetendo-o ao esforço de tracção. Os corpos de prova utilizados nos ensaios de fluência são semelhantes aos do ensaio de tracção.

O equipamento para a realização deste ensaio permite aplicar uma carga de tracção constante ao corpo de prova.

O corpo de prova fica dentro de um forno eléctrico, de temperatura constante e controlável. Um extensómetro é acoplado ao equipamento, para medir a deformação em função do tempo.

Nos ensaios de fluência, o corpo de prova deve passar por um período de aquecimento, até que se atinja a temperatura estabelecida. Mas é importante que o corpo de prova não sofra superaquecimento. A prática comum é aquecer primeiro o corpo de prova até 10ºC abaixo da temperatura do ensaio, por um período de 1 a 4 horas, para completa homogeneização da estrutura. Só depois disso o corpo de prova deve ser levado à temperatura do ensaio.

O aquecimento pode ser feito por meio de resistência eléctrica, por radiação ou indução. A temperatura deve ser medida em dois ou três pontos, preferencialmente por meio de pirómetros ligados ao corpo de prova por termopares aferidos, de pequeno diâmetro.




A duração deste ensaio é muito variável: geralmente leva um tempo superior a 1.000 horas. É normal o ensaio ter a mesma duração esperada para a vida útil do produto.

O resultado do ensaio é dado por uma curva de deformação (fluência) pelo tempo de duração do ensaio.
Impacto a baixas temperaturas

Conta-se que os primeiros exploradores do Ártico enfrentaram dificuldades fenomenais para levar a cabo sua missão, porque os equipamentos de que dispunham naquela época não suportavam as baixas temperaturas típicas das regiões polares.

Diz-se também que um dos factores que ajudou a derrotar os alemães na

Rússia, na Segunda Guerra Mundial, foi o rigoroso Inverno russo. Um factor que possivelmente contribuiu para isso foi a inadequação dos materiais usados na construção das máquinas de guerra.

Imagine esta situação: um soldado alemão, enfrentando um frio muito intenso, vendo a esteira do seu blindado romper-se, sem motivo aparente.

Ou vendo a boca do canhão partir-se ao dar o primeiro tiro. Isso não é necessariamente ficção. Pode muito bem ter acontecido.

A temperatura influencia muito a resistência de alguns materiais ao choque, ao contrário do que ocorre na resistência à tracção, que não é afectada por essa característica.

Pesquisadores ingleses, franceses e alemães foram os primeiros a observar esse facto e a desenvolver ensaios que permitissem avaliar o comportamento dos materiais a baixas temperaturas.

Nesta aula você vai conhecer o ensaio de impacto a baixa temperatura. Ficará sabendo o que é temperatura de transição, como ela pode ser representada graficamente e quais são os factores que a afectam.
Temperatura de transição

Ao ensaiar os metais ao impacto, verificou-se que há uma faixa de temperatura relativamente pequena na qual a energia absorvida pelo corpo de prova cai apreciavelmente. Esta faixa é denominada temperatura de transição.

A temperatura de transição é aquela em que ocorre uma mudança no carácter da ruptura do material, passando de dúctil a frágil ou vice-versa.

Por exemplo, um dado aço absorve 17 joules de energia de impacto à temperatura ambiente (± 25ºC). Quando a temperatura desce a -23ºC, o valor de energia absorvida é pouco alterado, atingindo 16 joules. Este valor cai para 3 joules à temperatura de -26ºC.

Como esta passagem, na maioria dos casos, não é repentina é usual definir-se uma faixa de temperatura de transição.

A faixa de temperatura de transição compreende o intervalo de temperatura em que a fractura se apresenta com 70% de aspecto frágil (cristalina) e 30% de aspecto dúctil (fibrosa) e 70% de aspecto dúctil e 30% de aspecto frágil.

O tamanho dessa faixa varia conforme o metal. Às vezes, a queda é muito repentina, como no exemplo anterior.

A definição dessa faixa é importante porque só podemos utilizar um material numa faixa de temperatura em que não se manifeste a mudança brusca do carácter da ruptura.


Gráfico da temperatura de transição

Pode-se representar a temperatura de transição graficamente. Indicando-se os valores de temperatura no eixo das abcissas e os valores de energia absorvida no eixo das ordenadas, é possível traçar a curva que mostra o comportamento do material quanto ao tipo de fractura (frágil ou dúctil).

A temperatura T1 corresponde à fractura 70% dúctil e 30% frágil. A temperatura T3 corresponde à fractura 30% dúctil e 70% frágil. E a temperatura T2 é o ponto no qual a fractura se apresenta 50% dúctil e 50% frágil. O intervalo de temperatura de transição corresponde ao intervalo entre T1 e T3.

Os metais que têm estrutura cristalina CFC, como o cobre, alumínio, níquel, aço inoxidável austenítico etc., não apresentam temperatura de transição, ou seja, os valores de impacto não são influenciados pela temperatura.

Por isso esses materiais são indicados para trabalhos em baixíssimas temperaturas, como tanques criogénicos, por exemplo.
Factores que influenciam a temperatura de transição

O intervalo de transição é influenciado por certas características como:



Tratamento térmico - Aços-carbono e de baixa liga são menos sujeitos à influência da temperatura quando submetidos a tratamento térmico que aumenta sua resistência;

Tamanho de grãos - Tamanhos de grãos grosseiros tendem a elevar a temperatura de transição, de modo a produzir fractura frágil em temperaturas mais próximas à temperatura ambiente. Tamanhos de grãos finos abaixam a temperatura de transição;

Encruamento - Materiais encruados, que sofreram quebra dos grãos que compõem sua estrutura, tendem a apresentar maior temperatura de transição;

Impurezas - A presença de impurezas, que fragilizam a estrutura do material, tende a elevar a temperatura de transição;

Elementos de liga - A adição de certos elementos de liga, como o níquel, por exemplo, tende a melhorar a resistência ao impacto, mesmo a temperaturas mais baixas;

Processos de fabricação - Um mesmo aço, produzido por processos diferentes, possuirá temperaturas de transição diferentes;

Retirada do corpo de prova - A forma de retirada dos corpos de prova interfere na posição das fibras do material. As normas internacionais geralmente especificam a posição da retirada dos corpos de prova, nos produtos siderúrgicos, pois a região de onde eles são retirados, bem como a posição do entalhe, têm fundamental importância sobre os valores obtidos no ensaio.
Ensaios visuais

O ensaio visual dos metais foi o primeiro método de ensaio não destrutivo aplicado pelo homem. É, com certeza, o ensaio mais barato, usado em todos os ramos da indústria.

Assim, a inspecção visual exige definição clara e precisa de critérios de aceitação e rejeição do produto que está sendo inspeccionado. Requer ainda inspectores treinados e especializados, para cada tipo ou família de produtos.

Um inspector visual de chapas laminadas não poderá inspeccionar peças fundidas e vice-versa, sem prévio treino.


Descontinuidades e defeitos

É importante que fiquem claros, no início desse nosso estudo, os conceitos de descontinuidade e defeito de peças. Esses termos são muito comuns na área de ensaios não destrutivos. Para entendê-los, vejamos um exemplo simples: um copo de vidro com pequenas bolhas de ar no interior de sua parede, formadas devido a imperfeições no processo de fabricação, pode ser utilizado sem prejuízo para o usuário. Essas imperfeições são classificadas como descontinuidades.

Mas, caso essas mesmas bolhas aflorassem à superfície do copo, de modo a permitir a passagem do líquido do interior para a parte externa, elas seriam classificadas como defeitos, pois impediriam o uso do copo.

De modo geral, nos deparamos na indústria com inúmeras variáveis de processo que podem gerar imperfeições nos produtos.

Essas imperfeições devem ser classificadas como descontinuidades ou defeitos.

Os responsáveis por essa actividade são os projectistas profissionais, que por meio de cálculos de engenharia seleccionam os componentes de um produto que impliquem segurança e apresentem o desempenho esperado pelo cliente.


Principal ferramenta do ensaio visual

A principal ferramenta do ensaio visual são os olhos, importantes órgãos do corpo humano.

O olho é considerado um órgão pouco preciso. A visão varia em cada um de nós, e mostra-se mais variável ainda quando se comparam observações visuais num grupo de pessoas. Para minimizar essas variáveis, deve-se padronizar factores como a luminosidade, a distância ou o ângulo em que é feita a observação.

A ilusão de óptica é outro problema na execução dos ensaios visuais.

Para eliminar esse problema, nos ensaios visuais, devemos utilizar instrumentos que permitam dimensionar as descontinuidades, por exemplo, uma escala graduada (régua). Repita os testes usando uma régua. Assim, você chegará a conclusões mais confiáveis.

A inspecção visual a olho nu é afectada pela distância entre o olho do observador e o objecto examinado. A distância recomendada para inspecção situa-se em torno de 25 cm: abaixo desta medida, começam a ocorrer distorções na visualização do objecto.

Existem outros factores que podem influenciar na detecção de descontinuidades no ensaio visual.

Limpeza da superfície

As superfícies das peças ou partes a serem examinadas devem ser cuidadosamente limpas, de tal forma que resíduos como graxas, óleos, poeira, oxidação etc. não impeçam a detecção de possíveis descontinuidades e/ou até de defeitos.



Acabamento da superfície

O acabamento superficial resultante de alguns processos de fabricação -fundição, forjamento, laminação - pode mascarar ou esconder descontinuidades; portanto, dependendo dos requisitos de qualidade da peça, elas devem ser cuidadosamente preparadas (decapadas, rebarbadas, rectificadas) para, só então, serem examinadas.



Nível de iluminação e seu posicionamento

O tipo de luz utilizada também influi muito no resultado da inspecção visual. A luz branca natural, ou seja, a luz do dia, é uma das mais indicadas; porém, por problemas de layout, a maioria dos exames é feita em ambientes fechados, no interior de fábricas. Utilizam-se, então, lâmpadas eléctricas, que devem ser posicionadas atrás do inspector, ou em outra posição qualquer, de modo a não ofuscar sua vista.


Em certos tipos de inspecções - por exemplo, na parede interna de tubos de pequeno diâmetro e em partes internas de peças -, é necessário usar instrumentos ópticos auxiliares, que complementam a função do nosso olho. Os instrumentos ópticos mais utilizados são:

· Lupas e microscópios;

· Espelhos e tuboscópios;

· Câmaras de tv em circuito fechado.


Líquidos penetrantes

Depois do ensaio visual, o ensaio por líquidos penetrantes é o ensaio não destrutivo mais antigo. Ele teve início nas oficinas de manutenção das estradas de ferro, em várias partes do mundo.

Naquela época, começo da era industrial, não se tinha conhecimento do comportamento das descontinuidades existentes nas peças. E quando estas eram colocadas em uso, expostas a esforços de tracção, compressão, flexão e, principalmente, esforços cíclicos, acabavam se rompendo por fadiga.

Era relativamente comum o aparecimento de trincas e até a ruptura de peças de vagões, como eixos, rodas, partes excêntricas etc., sem que os engenheiros e projectistas da época pudessem determinar a causa do problema.

Algumas trincas podiam ser percebidas, mas o ensaio visual não era suficiente para detectar todas elas, pela dificuldade de limpeza das peças.

Foi desenvolvido então um método especial não destrutivo para detectar rachaduras em peças de vagões e locomotivas, chamado de método do óleo e giz.

Neste método, as peças, depois de lavadas em água fervendo ou com uma solução de soda cáustica, eram mergulhadas num tanque de óleo misturado com petróleo, no qual ficavam submersas algumas horas ou até um dia inteiro, até que essa mistura penetrasse nas fendas porventura existentes nas peças.

Depois desta etapa, as peças eram removidas do tanque, limpas com estopa embebida em querosene e colocadas para secar. Depois de secas, eram pintadas com uma mistura de giz moído e álcool; dessa pintura resultava uma camada de pó branco sobre a superfície da peça. Em seguida, martelavam-se as peças, fazendo com que a mistura de óleo e querosene saísse dos locais em que houvesse trincas, manchando a pintura de giz e tornando as fendas visíveis.

Este teste era muito passível de erros, pois não havia qualquer controle dos materiais utilizados - o óleo, o petróleo e o giz. Além disso, o teste não conseguia detectar pequenas fendas e defeitos subsuperficiais.
No caso dos líquidos penetrantes visíveis, a inspecção é feita sob luz branca natural ou artificial. O revelador, aplicado à superfície de ensaio, proporciona um fundo branco que contrasta com a indicação da descontinuidade, que geralmente é vermelha e brilhante.

Para os líquidos penetrantes fluorescentes, as indicações se tornam visíveis em ambientes escuros, sob a presença de luz negra, e se apresentam numa cor amarelo esverdeado, contra um fundo de contraste entre o violeta e o azul.

A luz negra tem a propriedade de causar o fenómeno da fluorescência em certas substâncias. Sua radiação não é visível. É produzida por um arco eléctrico que passa pelo vapor de mercúrio.


Vantagens e limitações

Agora que você já sabe onde pode aplicar o método de inspecção por líquidos penetrantes e já conhece as etapas de execução deste ensaio, vamos estudar suas vantagens e limitações.



Vantagens

· Podemos dizer que a principal vantagem deste método é sua simplicidade, pois é fácil interpretar seus resultados.

· O treino é simples e requer pouco tempo do operador.

· Não há limitações quanto ao tamanho, forma das peças a serem ensaiadas, nem quanto ao tipo de material.

· O ensaio pode revelar descontinuidades extremamente finas, da ordem de 0,001 mm de largura, totalmente imperceptíveis a olho nu.

Limitações

a) O ensaio só detecta descontinuidades abertas e superficiais, já que o líquido tem de penetrar na descontinuidade. Por esta razão, a descontinuidade não pode estar preenchida com qualquer material estranho.

b) A superfície do material a ser examinada não pode ser porosa ou absorvente, já que não conseguiríamos remover totalmente o excesso de penetrante, e isso iria mascarar os resultados.

c) O ensaio pode se tornar inviável em peças de geometria complicada, que necessitam de absoluta limpeza após o ensaio, como é o caso de peças para a indústria alimentícia, farmacêutica ou hospitalar.

Quais deles devemos escolher?
Diante de tantos tipos de penetrantes, como saber qual o mais adequado?

1- Penetrante fluorescente lavável com água

Esse método é bom para detectar quase todos os tipos de defeitos, menos arranhaduras ou defeitos rasos. Pode ser utilizado em peças não uniformes e que tenham superfície rugosa; confere boa visibilidade. É um método simples e económico.



2- Penetrante fluorescente pós-emulsificável

É mais brilhante que os demais, tem grande sensibilidade para detectar defeitos muitos pequenos e/ou muito abertos e rasos. É um método muito produtivo, pois requer pouco tempo de penetração e é facilmente lavável, mas é mais caro que os outros.



3- Penetrante visível (lavável por solvente, em água ou pós-emulsificável)

Estes métodos são práticos e portáteis, dispensam o uso de luz negra, mas têm menos sensibilidade para detectar defeitos muito finos; a visualização das indicações é limitada.

As características dos penetrantes sem dúvida nos ajudarão a escolher o método mais adequado para um determinado ensaio, porém o factor mais importante a ser considerado são os requisitos de qualidade que devem constar na especificação do produto.

É com base nestes requisitos que devemos escolher o método. Não se pode simplesmente estabelecer que todas as descontinuidades devem ser detectadas, pois poderíamos escolher um método mais caro que o necessário. Precisamos estar conscientes de que a peça deve estar livre de defeitos que interfiram na utilização do produto, ocasionando descontinuidades reprováveis.


Ensaio por Partículas magnéticas

Nesse ensaio, utilizamos essas forças invisíveis., que também alinham as partículas magnéticas sobre as peças ensaiadas. Onde houver descontinuidades, a orientação será alterada, revelando-as.

O ensaio por partículas magnéticas é largamente utilizado nas indústrias para detectar descontinuidades superficiais e subsuperficiais, até aproximadamente 3 mm de profundidade, em materiais ferro magnéticos.
Ensaio por ultra-som

O ensaio por ultra-som, comparado com outros métodos não destrutivos, apresenta as seguintes vantagens:

a)- localização precisa das descontinuidades existentes nas peças, sem processos intermediários, como, por exemplo, a revelação de filmes;

b)- alta sensibilidade ao detectar pequenas descontinuidades;

c)- maior penetração para detectar descontinuidades internas na peça;

d)- respostas imediatas pelo uso de equipamento electrónico.


Como desvantagens podemos citar:

a)- exigência de bons conhecimentos técnicos do operador;

b)- atenção durante todo o ensaio;

c)- obediência a padrões para calibração do equipamento;

d)- necessidade de aplicar substâncias que façam a ligação entre o equipamento de ensaio e a peça.
Aplicando o ultra-som

O uso do ultra-som como ensaio não destrutivo é largamente difundido nas indústrias para detectar descontinuidades em todo o volume do material a analisar, tanto em metais (ferrosos ou não ferrosos) como em não metais.

O ensaio consiste em fazer com que o ultra-som, emitido por um transdutor, percorra o material a ser ensaiado, efectuando-se a verificação dos ecos recebidos de volta, pelo mesmo ou por outro transdutor.
Ensaio por radiografia

Na radiografia industrial, utilizamos o mesmo princípio da radiografia clínica.

Coloca-se o material a ser ensaiado entre uma fonte emissora de radiação e um filme.

Uma parte dos raios emitidos é absorvida pelo material e a outra parte irá atravessá-lo, sensibilizando o filme e produzindo nele uma imagem do material ensaiado.

Após a revelação, temos uma chapa radiográfica para ser analisada e interpretada por um técnico especializado.
Por que radiografar?

Imagine as seguintes situações:

a) um gasoduto transportando gás combustível a alta pressão entre refinarias, ou mesmo entre equipamentos dentro da refinaria;

b) uma caldeira fornecendo vapor a alta pressão em uma indústria ou hospital.

Estes produtos simplesmente não podem falhar e, portanto, não podem ter defeitos!

Mas a construção dos gasodutos, caldeiras, oleodutos etc. é feita basicamente com chapas de aço soldadas.

Se uma solda não estiver adequada, não suportará a pressão e apresentará vazamentos, podendo provocar acidentes com consequências terríveis. A explosão de uma caldeira, por exemplo, pode fazer desaparecer o prédio onde ela está instalada e tudo mais que estiver na vizinhança.

Para evitar acidentes, precisamos ter certeza de que não há defeitos nesses produtos. Por isso, realizamos os ensaios não destrutivos. Nos casos citados, a radiografia é bastante utilizada - os cordões de solda são o alvo preferencial das radiografias.


Bibliografia

Planos de aulas do Departamento de Engenharia Mecânica, UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO,



Planos de aulas de Mecânica dos Sólidos, Lúcia M.J.S. Dinis, FEUP
Web

www.mspc.eng.br



Mário Loureiro


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