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MATERIAIS TÍPICOSMATERIAIS TÍPICOSMATERIAIS TÍPICOSMATERIAIS TÍPICOSpequeno menu de materiais freqüentemente usados na

prática da engenharia

Prof. Jaime Tupiassú Pinho de CastroDept. Eng.Mecânica PUC-Rio

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1- METAIS e LIGAS METÁLICAS1- METAIS e LIGAS METÁLICASa) EstruturaisAços: carbono, baixa liga, ferramenta, inox Ferros Fundidos: cinzento, nodular, branco, ligadoAlumínio: 1xxx, 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx, fundidosCobre: puro, latões (CuZn), bronzes (CuSn, CuAl, CuBe)

Níquel: superligas, NiCu, NiCr, NiFeTitânio: Ti-6Al-4Va, comercialmente puroMagnésio: fundidos e extrudados de baixo Zinco: fundidos complexos de baixa resistência

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1- METAIS e LIGAS METÁLICAS1- 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 corrosão pela formação de um óxido superficial Co e W ( dureza a quente), Nb (ligados), Ti S usinabilidade, soldabilidade e ductilidade, além de C e NCeq = C + (Cr+Mo+V)/5 + Mn/6 + (Ni+Cu)/15

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1- METAIS e LIGAS METÁLICAS1- 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 vácuoTi: resistência à corrosão, SY/ e Se/ altoCu: condutores elétricos e térmicos, resistência à corrosãoAl, Mg: baixo, anodização do Al p/ corrosãoAu, Pt, Ag: metais nobres, Au não oxida, Ag lubrificanteMo, W: metais refratários (requerem atmosfera inerte), W é

muito denso, liga TZM p/ aplicações estruturais

Ta: revestimentos p/ indústria química, caro (+$300/kg)

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2- CERÂMICAS2- CERÂMICASRochas: 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

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3- POLÍMEROS3- 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), ...

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3- POLÍMEROS3- 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)

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3- POLÍMEROS3- POLÍMEROSc) Fundidos

EP (epoxi) UP (poliéster) PUR (p-uretano) SI (silicone)MF (melamina)UF (ureaformaldeída) ...

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3- POLÍMEROS3- POLÍMEROSc) Elastômeros

NR (isopreno, borracha naturalborracha natural)BR (p-butadieno)CR (p-cloropreno, neopreno) SBR (estireno-butadieno) SI (silicone) ... ligas

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4- COMPOSTOS4- 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

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AÇOS DE BAIXA LIGAAÇOS DE BAIXA LIGA 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

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AÇOS DE BAIXA LIGA AÇOS DE BAIXA LIGA (cont.)(cont.) 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 Cr Mo 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

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AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS TÍPICASTÍPICAS

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

admissíveis variam de 70 a 170 MPa, para temperaturas < 345oC)

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AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS AÇOS ESTRUTURAIS - NORMAS TÍPICASTÍPICAS

Normas ASTM:Norma SYmin Elem. Liga Aplicação

A-36 250 C,Si,Mn chapas grossas estruturaisA-106 210-280 C,Si tubos sem costuraA-182 280-455 .5Mo a 9Cr1Mo forjados p/ alta temperaturaA-242 290-345 Mn,Cu,Cr,Ni perfis, chapasA-355 210 .5Mo a 9Cr1Mo tubos s/costura p/ alta temp.A-387 210-315 até 5Cr.5Mo tubos, vasos de pressãoA-414 175-315 C,Mn placas p/ vasos de pressãoA-440 290-395 Mn,Cu,Si perfis, placas, barrasA-572 290-450 Mn,Ni,V,N perfis, placas, barrasA-606 240-345 C,Mn folhasA-607 290-485 Mn,Nb,V,Ni,Cu folhasA-618 345 Mn,Ni,V,Si tubosA-633 320-410 Mn,V,Cr,Cu,N perfis p/ baixa temperaturaA-656 550 Mn,V,Al,N,Ti chapas p/ veículosA-812 455-560 C,Mn,V,Nb,Si chapas p/ vasos de pressão

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AÇOS FERRAMENTAAÇOS FERRAMENTA Têm maior controle de qualidade e devem ser usados em aplicações

estruturais críticas. São designados por letra + número:Tipo Número Aplicação Tipos mais usados

W 1,2,5 trabalho a frio W2: 0.6-1.4C, 0.25V (temp. em água)

O 1,2,6,7 trabalho a frio O1: 0.9C, 1Mn, 0.5Cr, 0.5W (t. óleo)

S 1,2,5,6,7 choque S1: 0.5C, 1.5Cr, 2.5W (t. óleo)

A 2-10 trabalho a frio A2: 1C, 5Cr, 1Mo (t. ar)

D 1-7 trabalho a frio D2: 1.5C, 12Cr, 1Mo, 1V (t. ar)D6: 2.1C, 12Cr, 0.7W, 0.2V (t. ar)

H 1-19 (Cr)20-39 (W)40-59 (Mo)

trabalho aquente

H11: 0.35C, 5Cr, 1.5Mo, 0.4V (t. ar)H13: 0.35C, 5Cr, 1.5Mo, 1V (t. ar)H21: 0.35C, 9W, 3.5Cr (t. ar)

T 1-8,15 corte (HSS) T1: 0.7C, 18W, 4Cr, 1V (t. ar)

M 1-47 corte (HSS) M2: 0.9C, 5Mo, 6W, 2Cr, 2V (t. ar)

P 2-6,20,21 moldes injeção P20: 0.3C, 1.7Cr, 0.4Mo

L 2,3,6 rolamentos L2: 0.5-1.1C, 1Cr, 0.2V

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AÇOS MARAGINGAÇOS 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):

aço Ni Co Mo Ti Al C SY(MPa) KIC

18Ni1400 18.0 8.5 3.0 0.2 0.1 <0.03 >1400 14018Ni1700 18.0 8.0 5.0 0.4 0.1 <0.03 >1700 10018Ni1900 18.0 9.0 5.0 0.6 0.1 <0.03 >1900 7018Ni2400 17.5 12.5 3.8 1.8 0.15 <0.01 >2400 4018Ni1600 17.0 10.0 4.6 0.3 0.05 <0.03 >1600 80

Custos:aço 1020 W2 O1 A2 D2 H11 H21 M2 T1$/kg 1,0 6,0 7,3 8,3 12,0 7,7 19,7 19,3 31,0

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AÇOS INOXAÇOS INOXDevem ter pelo menos 12% Cr, e passividade em meios

oxidantesHá 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 duplexDeve-se verificar dados específicos para corrosão

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AÇOS INOX FERRÍTICOS (12-27Cr, C<0.2)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)

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AÇOS INOX MARTENSÍTICOS AÇOS INOX MARTENSÍTICOS (12-18Cr, C<1.2)(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)

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AÇOS INOX AUSTENÍTICOS AÇOS INOX AUSTENÍTICOS (16-26Cr, 8-22Ni, C<.25)(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

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AÇOS INOX PHAÇOS INOX PH(ENDURECÍVEIS POR PRECIPITAÇÃO) (ENDURECÍVEIS POR PRECIPITAÇÃO)

Tratamento de envelhecimento a ~ 540°CSemi-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)

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FERROS FUNDIDOSFERROS 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

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FERROS FUNDIDOS CINZENTOSFERROS 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)

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FERROS FUNDIDOS BRANCOSFERROS FUNDIDOS BRANCOS

Obtidos por solidificação rápidaMuito duros (>60Rc) Muito frágeisMicroestrutura perlita + cementita, sem

grafita precipitada Fratura brancaUsado em aplicações de desgaste severo

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FERROS FUNDIDOS MALEÁVEISFERROS 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 flocosBoa usinabilidade

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FERROS FUNDIDOS NODULARESFERROS 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.

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LIGAS DE ALUMÍNIOLIGAS 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 térmicoPode ter alto SY/Boa resistência à corrosãoAnodização protege e endurece a superfícieNão é tóxicoBoa fabricabilidadeLigas mais resistentes não são muito tenazes

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LIGAS DE ALUMÍNIOLIGAS 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)