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AÇOS PARA CONSTRUÇÃO MECÂNICA

 

Aços para beneficiamento

Características gerais e critérios de escolha:

Os aços para beneficiamento são empregados na fabricação de peças que requerem uma boa combinação de resistência e tenacidade, com valores relativamente uniformes em toda a seção ou até uma certa profundidade. Essas propriedades são obtidas por meio de têmpera e revenimento, que constituem o processo conhecido como beneficiamento. A têmpera é um tratamento de endurecimento, capaz de produzir aumento das propriedades de resistência, provocando, porem, uma redução da tenacidade e da dutilidade. O revenimento tem por fim abrandar os efeitos da têmpera, melhorando a tenacidade e a dutilidade com um prejuízo comparativamente pequeno das propriedades de resistência.

Na escolha de um aço para beneficiamento, examinam-se inicialmente as propriedades mecânicas especificadas para a peça acabada, bem como suas características geométricas (forma e dimensões). É eventualmente necessário conhecer também a intensidade e a natureza das solicitações estáticas ou dinâmicas, solicitações de impacto, solicitações de fadiga, etc. De posse desses dados, faz-se uma seleção previa dos aços capazes de satisfazer os requisitos especificados.

No caso de ocorrerem também solicitações dinâmicas, torna-se necessário obter dados adicionais, seja por meio de ensaios especiais, por meio de comparação com peças semelhantes ou ainda com auxilio de formulas empíricas, como veremos adiante no tópico sobre o assunto.

O valor e a profundidade de penetração das propriedades de resistência no interior de uma peça beneficiada dependem, basicamente, de uma propriedade intrínseca do aço – que é sua temperabilidade – e de uma serie de outros fatores, como as características geométricas das peças, a severidade da têmpera, as temperaturas de têmpera e de revenimento, etc.

A temperabilidade é assim uma das características mais importantes dos aços para beneficiamento e representa um critério adicional de seleção desses aços.

Examinamos assim rapidamente os principais fatores que determinam a escolha do aço para beneficiamento. Podemos resumi-los nos seguintes itens:

1º) Requisitos mecânicos da peça;
2º) Características geométricas da peça;
3º) Intensidade e natureza das solicitações mecânicas;
4º) Solicitações estáticas;
5º) Solicitações dinâmicas;
6º) Propriedades mecânicas dos aços
7º) Temperabilidade.

 

 

A seguir examinaremos esses itens em maior detalhe.
Requisitos mecânicos da peça:

Os requisitos mecânicos da peça constituem um dos fatores fundamentais pra seleção dos aços.
Os requisitos correspondentes às solicitações estáticas são normalmente determinados analiticamente por meio de métodos da Resistência dos Materiais. Os requisitos de natureza dinâmica exigem geralmente uma análise mais detalhada do problema eventualmente a realização de ensaios especiais, como veremos adiante. A especificação da dureza baseia-se normalmente na experiência.
Os requisitos mecânicos mais usualmente especificados são os valores de resistência na zona mais solicitada, a dureza na superfície e em determinada profundidade, etc. Menos frequentemente é especificada a tenacidade.

Características geométricas da peça:

As características geométricas da peça influenciam a escolha dos aços sob vários aspectos. Inicialmente, a forma e as dimensões das seções resistentes determinam, juntamente com as propriedades mecânicas do aço, a resistência mecânica da peça. Variando-se a seção resistente da peça pode-se, em certos casos, modificar a especificação do aço e vice-versa.

Em segundo lugar, sabemos que a forma e as dimensões gerais da peça condicionam as propriedades mecânicas dos aços, por força do efeito de massa e das limitações da temperabilidade.
As barras redondas de grande diâmetro, por exemplo, apresentam sempre valores de resistência mais baixos que os das barras de pequeno diâmetro fabricadas com o mesmo aço e temperadas nas mesmas condições.

Por outro lado, certas configurações de projeto, como seções assimétricas, formas alongadas, seções delgadas, mudanças bruscas de seção, entalhes, saliências, furos, cantos vivos, etc., tendem a provocar a ocorrência de deformações ou de trincas na têmpera, requerendo muitas vezes o uso de um meio de resfriamento mais suave e limitando a escolha do material.

Tais configurações devem ser evitadas na medida do possível, mas, quando inevitáveis, devem ser levadas em consideração na seleção dos aços.

Natureza e intensidade das solicitações mecânicas:

O conhecimento da natureza e da intensidade das solicitações mecânicas a que está submetida uma peça torna-se necessário, sobretudo quando não estão especificados com precisão os requisitos da peça. Isso ocorre frequentemente no caso de peças sujeitas a solicitações dinâmicas. Assim, por exemplo, desejando-se substituir um pino de pistão rompido em serviço, deverão ser indicados todos os dados necessários para caracterizar as solicitações que atuam sobre a peça, tais como o valor e o sentido da carga máxima aplicada, a velocidade de rotação do eixo, etc. Esses dados permitirão, eventualmente, calcular as tensões da peça e seus requisitos mecânicas ou, caso não seja viável, fornecerão elementos comparativos para a seleção dos aços.

Solicitações estáticas

As solicitações estáticas, tais como as cargas aplicadas, os momentos fletores, as pressões hidrostáticas, etc., constituem um dos elementos básicos para o dimensionamento das peças de maquinas e determinação de requisitos mecânicos.
Na fase de seleção dos aços, poderá ser necessário o conhecimento da natureza e intensidade das solicitações estáticas, para melhor esclarecimento dos requisitos mecânicos das peças ou, eventualmente, para suprir a falta de indicação desses requisitos.

Solicitações dinâmicas:

Praticamente todas as peças de máquinas estão de algum modo sujeitas a solicitações dinâmicas.
Conforme as características da energia aplicada, costuma-se dividir essas solicitações em dois grupos, que examinaremos a seguir: solicitações de impacto e solicitações de fadiga.

Solicitações de impacto:

Ao contrário do que ocorre com as solicitações estáticas, em que as cargas são aplicadas com a intensidade progressiva a partir de zero ou de um valor baixo, nas solicitações de impacto a carga é aplicada bruscamente com plena intensidade. A capacidade do material de distribui e absorver as tensões resultantes dessas solicitações é medida por sua tenacidade.
Esta propriedade é geralmente determinada por meio do ensaio de impacto pendular, na qual um corpo de prova prismático entalhado é submetido a uma solicitação de flexão por impacto.
O ensaio foi padronizado pela ISO e pelas normas ABNT NBR-6157, ASTM E-23 e DIN 50115. Os resultados deste ensaio são também de grande utilidade para determinação do comportamento do aço sob baixas temperaturas, bem como para avaliação de sua suscetibilidade à fratura frágil.

Solicitações de fadiga:

A observação das avarias mecânicas encontradas nas máquinas revela que a grande maioria dos casos de peças rompidas pelo serviço, resulta de falhas provocadas por solicitações de fadiga.

Os fatores que favorecem a ocorrência dessas falhas estão relacionados não só com as características mecânicas do material como também, e talvez preponderantemente, com a forma da peça, o estado da superfície, os tratamentos térmicos, a corrosão, etc.

Esses fatos mostram a importância do problema da fadiga e a necessidade não só com as características mecânicas do material como também, e talvez preponderantemente, com a forma da pela, o estado de superfície, os tratamentos térmicos, a corrosão, etc.
Esses fatos mostram a importância do problema da fadiga e a necessidade de levá-la em consideração no projeto da pela, na seleção dos aços e nas varias fases da produção.

Uma regra de aplicação geral recomenda evitar-se, dentro do possível, a presença de entalhes, cantos vivos, variações bruscas da seção e quaisquer áreas de concentração de tensões.

A interdependência dos diversos fatores que favorecem as falhas por fadiga geralmente não permite o conhecimento exato da influência de cada um, de modo que a resistência à fadiga de uma peça deve ser determinada por meio de ensaios realizados com a própria peça ou avaliada por comparação com peças semelhantes. Os limites de fadiga do material constituem um elemento de grande importância para a seleção dos aços, mas possuem um caráter meramente orientativo e não podem ser usados no dimensionamento das peças.

Os limites de fadiga são determinados em ensaios em que se submetem os corpos de prova a um número muito elevado de ciclos de carga de intensidade variada, até atingir-se uma tensão que o material suporta indefinidamente. Em falta desses dados, usam-se, para os aços, formulas empíricas que relacionam os limites de fadiga com o limite de resistência. Como exemplo, podemos mencionar as seguintes:

 

Limite de fadiga por flexão alternada = 0,50 x limite de resistência.
Limite de fadiga por flexão alternada = 0,28 x limite de resistência.
Limite de fadiga por tração/compressão alternadas = 0,30 x limite de resistência.

A experiência tem mostrado que esses valores se aproximam dentro de ±20% dos limites de fadiga determinados em ensaios dinâmicos. Entretanto, a aplicação dessas formulas pressupõe superfície polida, beneficamente perfeito, estrutura metalográfica uniforme em toda a seção (especialmente sem ferrita livre), ausência de corrosão, etc. A título de ilustração, apresentamos a seguir um gráfico elaborado pela Associação dos Engenheiros Alemães (VDI), que indica a redução do limite de fadiga por flexão alternada, provocada por diversos fatores, expressa em função do limite de resistência do aço:

 

Convém ressaltar, novamente, que os limites de fadiga, sobretudo os calculados pelas formulas empíricas, têm uma aplicação restrita, devendo ser utilizados apenas na seleção dos aços, para fins comparativos.

Propriedades mecânicas dos aços:

As propriedades mecânicas mais comumente utilizadas para caracterização dos aços e para dimensionamento estático das peças são: o limite da resistência, o limite de escoamento, o alongamento, a estricção e a dureza.

Diagramas de revenimento indicam as propriedades mecânicas medias, obtidas por meio de têmpera seguida de revenimento realizado em diversas temperaturas. Estes diagramas destinam-se basicamente a uma determinação aproximada da temperatura de revenimento adequada para obtenção das propriedades mecânicas desejadas. Os valores indicados devem ser considerados como puramente orientativos e validos apenas para as condições de ensaio utilizadas.

Os gráficos de efeito de massa indicam a influencia das dimensões das barras sobre suas propriedades mecânicas. Estes gráficos também são de caráter orientativo.

As propriedades mecânicas de natureza dinâmica, como a resistência ao impacto e os limites de fadiga, não constam de nossos catálogos e sua determinação dependerá de entendimentos especiais.

 

Temperabilidade:

A temperabilidade é a propriedade dos aços e de outras ligas ferrosas que determina a profundidade e a distribuição da dureza produzida pela têmpera. Sua expressão quantitativa depende do método de ensaio utilizado para sua determinação e está vinculada à severidade do meio da têmpera empregado.

Examinaremos a seguir as faixas de temperabilidade Jominy, que constituem, até o presente, a forma de expressão mais usual da temperabilidade dos aços para beneficiamento. Veremos também o significado da severidade de têmpera e alguns valores deste índice referentes aos meios de têmpera comumente utilizados.

Finalmente, apresentaremos os gráficos da Lamont, que correlacionam as temperabilidades dos aços sob diferentes meios de têmpera e permitem prever-se a distribuição aproximada da dureza em peças temperadas simples.

 

FAIXAS DE TEMPERABILIDADE JOMINY

As faixas de temperabilidade apresentam o resultado de numerosas determinações realizadas através do ensaio Jominy. Este ensaio consiste em temperar em água corpos de prova padronizados, sob condições padronizadas, e em seguida determinar a variação de dureza paralelamente ao eixo, sob condições igualmente padronizadas.
A norma ABNT NBR-6339 descreve o ensaio e fornece todos os elementos necessários a sua execução.
Catálogos dos aços para beneficiamento incluem as faixas de temperabilidade Jominy correspondentes. A titulo de exemplo, apresentamos a seguir a faixa de temperabilidade do aço VB-40 H.

 

SEVERIDADE DE TÊMPERA

A severidade de têmpera é um índice que dá uma medida da influência dos meios de têmpera sobre a profundidade e a distribuição da dureza em uma peça de aço temperada, sob diferentes condições de agitação.
Em um aço de determinada temperabilidade, um meio de têmpera de grande severidade (têmpera drástica) tende a produzir elevados valores de dureza (e dos demais valores de resistência) na peça, favorecendo, por outro lado, a ocorrência de trincas e deformações. Um meio de têmpera de pequena severidade (têmpera suave) tende a produzir o efeito inverso.

A disponibilidade dos meios de têmpera e a viabilidade de sua aplicação devem ser levadas em conta na seleção dos aços para beneficiamento.
A tabela abaixo indica a severidade dos meios de têmpera usuais sob diferentes condições de agitação.

DISTRIBUIÇÃO DA DUREZA EM PEÇAS TEMPERADAS SIMPLES (GRÁFICOS DE LAMONT)

Os gráficos de Lamont apresentados a seguir, correlacionam as temperabilidades dos aços sob diferentes valores de severidade de têmpera e permitem uma previsão estimativa da distribuição de dureza no interior de barras temperadas de seção redonda, quadrada ou retangular, quando se conhecem a faixa de temperabilidade Jominy do aço e a severidade da têmpera utilizada.

O processo aplica-se também a peças temperadas simples que possuem a forma aproximada daquelas barras.

Desejando-se calcular a dureza em um ponto de uma barra (ou peça) de seção redonda, determina-se inicialmente sua posição relativa no interior da barra por meio da relação r/R em que r é a distância do ponto ao eixo da barra e R é o raio da barra, e procura-se o gráfico correspondente. Para as barras redondas, foram elaborados dez gráficos, desde r/R = 0 (eixo da barra) até r/R = 0,9. Encontrado o gráfico, entra-se com diâmetro da barra na escala do eixo vertical, segue-se pela horizontal até encontrar a curva correspondente à severidade de têmpera utilizada; do ponto de intersecção, segue-se pela vertical até a escala “distância da ponta temperada” e anota-se a distância encontrada. Leva-se essa distância ao gráfico da faixa de temperabilidade do aço considerado e lê-se a faixa de dureza correspondente. Essa faixa de dureza aplica-se ao ponto do interior da barra ou peça da seção redonda em questão. O exemplo abaixo ilustra a aplicação dos gráficos.

Para barras de seção quadrada ou retangular, são apresentados apenas os gráficos referentes ao eixo da barra. Seu emprego é semelhante ao das barras redondas.

É preciso ter em mente que todos esses valores de dureza têm um caráter puramente orientativo, não devendo ser transformados em valores de resistência para fins de dimensionamento de peças.
Exemplo: um eixo de aço ABNT 8640 com as dimensões indicadas na figura abaixo, deverá apresentar na parte central B uma dureza mínima de 30 HRC a 15 mm da superfície quando temperado em óleo. Deseja-se saber se usando óleo com agitação moderada a condição especificada será satisfeita.

 

Raio da parte central R = 50 = 25 mm
2
r = 25- 15 = 10 mm

r = 10 = 0,4
R 25

O gráfico aplicável será, portanto, o correspondente a r = 0,4.
R
Para o óleo com agitação moderada, a tabela 1 indica a severidade de têmpera H = 0,35 – 0,40. Adotaremos o valor 0,35.

Com esses dados, entramos no eixo vertical do gráfico com diâmetro 50 mm, seguimos pela horizontal até encontrar a curva 0,35 e do ponto de intersecção descemos pela vertical até encontrar uma distância Jominy de aproximadamente 17 mm (pouco menos de ¾”). Levamos este valor à faixa de temperabilidade do aço e lá verificamos que para ¾” o aço apresenta uma faixa de durezas de 31 a 38 HRC. Tendo sido especificada a dureza mínima de 30 HRC para o ponto considerado, a têmpera em óleo (ABNT 8640) com agitação moderada satisfaz a condição especificada.


Fonte: AÇOS VILLARES S.A.

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