Sabendo que o ambiente de trabalho é uma indústria de produtos químicos na qual a corrosão pode ter grande influência e como conseqüência contaminar os produtos fabricados por esta indústria e em particular os produtos que serão fabricados por estes equipamentos. O material vai ser submetido a choques moderados, necessitando de um material que possua uma boa ductilidade e tenacidade e também devemos ressaltar o caso da corrosão, para isso procuramos nos aprofundar em tais aspectos para escolher de forma mais adequada o material, admitindo e considerando várias possibilidades.
Fator função
Tendo as informações descritas anteriormente como ponto de partida, estabelecemos uma condição que o material deve resistir à corrosão.
Pode-se considerar a corrosão como um ataque gradual e contínuo do material por parte de um meio circunvizinho, que pode ser a atmosfera um meio químico, líquido ou gasoso. Num aspecto muito difundido e aceito, definimos corrosão como a deterioração de um material, geralmente metálico, por ação química ou eletroquímica do meio ambiente aliada ou não a esforços mecânicos.
Sendo a corrosão, em geral, um processo espontâneo, está constantemente transformando os materiais metálicos de modo que a durabilidade e desempenho dos mesmos deixam de satisfazer os fins a que se destinam.
Como resultado das reações químicas entre os materiais e os elementos agressores contidos nestes meios, têm-se mudanças graduais no material, sendo exatamente visível pela alteração das características da superfície. Para evitar ou minimizar os efeitos da corrosão, deve-se conferir ao material a propriedade de "passividade" o que assegura, a certos tipos de materiais, permanecia inertes frente aos ataques.
Os aços-carbono, em geral, caracterizam-se normalmente por não serem passivos, entretanto a condição de passividade pode ser – lhes conferida, em maior ou menor grau, pela adição de elementos de ligas em suas composições. O cromo (Cr) é o elemento mais importante e quando usado em teores acima de 10% é o mais eficiente de todos, na maioria das condições, entretanto elementos como níquel (Ni) e o molibdênio (Mo) são também de grande valor.
Tomando-se como base as informações fornecidas, no projeto proposto, observa-se que não foi indicado o meio circunvizinho, o que dificulta a seleção, uma vez que se torna praticamente impossível escolher um aço que atenda a todas as possíveis formas de corrosão. Entretanto, sabe-se que a corrosão atmosférica é uma realidade por este motivo deve-se prevenir o eixo contra possíveis contatos com o produto que venha a realizar ataques corrosivos.
Os problemas de corrosão são freqüentes e ocorrem nas mais variadas atividades, como nas indústrias químicas, petrolíferas, petroquímicas, naval, de construção civil, automobilística além de outras mais.
Estes problemas podem causar grandes perdas econômicas de forma direta ou indireta, cabendo a nós solicitarmos um material que evite esses prejuízos. Alguns destes problemas que ocorrem com mais freqüência são citados a seguir:
Custos de substituição das peças ou equipamentos que sofreram corrosão, incluindo-se energia e mão-de-obra;
Os custos e a manutenção dos processos de proteção, cabendo ao engenheiro minimizar a necessidade dessa manutenção;
Outros itens que devem ser levados em consideração com a corrosão são as questões de segurança, tentando prevenir quando acontece; por exemplo, corrosões localizadas, que em muitas vezes resultam em fraturas repentinas de partes críticas em máquinas ou estruturas, causando desastres que podem envolver perdas de vidas humanas; vazamentos em tubulações de gasolina, gás natural, ou em tanques de combustíveis podem causar explosões e incêndios de grandes proporções também como degradação do meio-ambiente.
Devemos observar a corrosão localizada que pode ser, às vezes, mais prejudicial do que a corrosão generalizada, visto que cria pontos de concentração de tensões que levarão o metal á ruptura por fadiga.
Dados obtidos afirmam que cerca de 30 bilhões de dólares poderiam ser economizados se todas as medidas economicamente viáveis fossem usadas para prevenção contra corrosão. A partir de trabalhos realizados pela NACE (NationalAssociationofCorrosionEngenieers), o custo da corrosão em países desenvolvidos gira em tomo de 3,5 a 4,0% do produto interno bruto (PIB) e 6% para os países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento. Anualmente, cerca de 2% da tonelagem de metais usados em todo o mundo são destruídos pela corrosão. Para finalizar, cerca de 25% da produção anual de aço destina-se a substituir as peças distribuídas pela corrosão.
Devido a todos os itens citados acima é de fundamental importância solicitar um material que atenda todas as necessidades de prevenção contra a corrosão.
Fator solicitação
Uma das considerações fundamentais do projeto é que a resistência do eixo deve ser a maior que as tensões a ele aplicadas de tal forma a proporcionar segurança e confiabilidade.
Desta forma durante a seleção do material toma-se importante conhecer a natureza dos esforços atuantes (cortantes, fletores, torsores, outros), procurando estabelecer relações primárias que facilitem a escolha do material. Além disso, deve-se considerar a presença de efeitos como choques e vibrações. Assim sendo, pode-se restringir a seleção aos materiais dúcteis que permitem a absorção de sobrecargas.
Por outro lado, observa-se a necessidade de elevada rigidez, uma vez que o eixo possui comprimento relativamente elevado (1800 mm), tal rigidez, em primeira avaliação, pode ser obtida por meio da utilização de materiais com elevado módulo de elasticidade.
Verifica-se ainda a necessidade da existência de ressaltos e chavetas para apoiar e fixar os elementos do sistema de transmissão, que provocam sensível diminuição da resistência do eixo, uma vez que causam o efeito de concentração de tensão afetando diretamente no processo de falha. Desta forma se faz necessária à utilização de um material com boas propriedades mecânicas.
Para considerações acima, podemos analisar as características de tenacidade e ductilidade do material.
Onde a tenacidade, em outras palavras, pode ser definida como "a capacidade do material deformar-se antes de romper" ou como "a capacidade do material absorver considerável quantidade de energia sem romper".
Considerando a configuração atual do setor de distribuição a venda de materiais para aplicações mecânicas, observa-se uma relativa facilidade para obtenção dos mais diversos tipos de produtos. Desta forma, podemos hoje projetar, com materiais adequados baseados nas propriedades desejadas e não mais nos materiais disponíveis.
Os aços carbono aplicados comumente na prática possuem o teor de carbono variável de 0,10% até 0,70% aproximadamente. Com relação a sua composição química podemos dizer que as propriedades mecânicas do material variam da seguinte forma, à medida que aumenta o teor de carbono melhora as propriedades relativas à resistência mecânica, isto é, o limite de escoamento, o limite de resistência à tração e piora as propriedades relativas à ductilidade e à tenacidade, isto é, alongamento, estricção e resistência ao choque. Por ter um alto teor de carbono e com isso uma diminuição das propriedades que mais necessitamos como tenacidade, ductilidade e também por aço carbono não possuir cromo (Cr) apresenta uma baixa resistência à corrosão, mas com um tratamento térmico, por exemplo, de nitretação pode vim a resolver tal problema, claro que se feito a gás, em líquido ou a plasma modifica a qualidade de tal tratamento. Quando feito em plasma o custo sobe bem mais, mas em conseqüência a qualidade da camada nitretada é bem melhor. Além da corrosão melhorada este tratamento leva a uma significativa melhora na resistência ao desgaste superficial.
Tabela 2.5: tabela das propriedades mecânicas do aços-carbononitretados.
Este material possui ótimas características mecânicas e é bastante comum de se encontrar no comércio. No entanto, não tem nenhuma proteção contra corrosão, comprovado pela tabela dos elementos de liga que mostra a ausência de elementos como Cr e Ni que melhoram naturalmente as características anti–corrosivas.
Os aços para beneficiamento se incluem entre os aços para construção mecânica e caracterizam – se por um teor de carbono geralmente situado acima de 0,25, podendo ser ligados ou não ligados.
Os aços para beneficiamento são empregados na fabricação de peças que requerem uma boa combinação de resistência e tenacidade, com valores 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, porém uma redução da tenacidade e da ductibilidade, o revenimento tem por fim abrandar os efeitos da têmpera, melhorando a tenacidade e a ductíbilidade 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 dimensão). É eventualmente necessário conhecer também a intensidade e a natureza das solicitações: estáticas e dinâmicas, solicitações de impactos, solicitações de fadiga, etc. De posse desses dados, faz-se uma seleção prévia dos aços capazes de satisfazer os requisitos especificados.
Aço VM-40 ou SAE 4340
É um aço baixa liga de alta temperabilidade e elevada resistência mecânica e dependendo do tipo de tratamento térmico, apresenta tenacidade satisfatória. Este aço é geralmente fornecido no estado temperado e revenido.
Tabela 2.6: tabela das propriedades mecânicas do 4340
Este aço apresenta elevada temperabilidade, o que propicia boas propriedades mecânicas tanto na superfície quanto no centro do material, permitindo a absorção de cargas e apresentando boas características para diminuir a tendência a corrosão, por causa da presença dos elementos de liga como cromo (Cr), níquel (NÍ) e Molibdênio (Mo).
Os aços inoxidáveis caracterizam-se por uma resistência à corrosão superior à dos outros aços. Sua denominação não é totalmente correta, porque na realidade os próprios aços ditos inoxidáveis são passivos de oxidação em determinadas circunstâncias. A expressão, contudo, é mantida por tradição. Quanto à composição química, os aços inoxidáveis caracterizam – se por apresentar um teor mínimo de Cromo (Cr) na ordem de 12%.
A resistência à corrosão destes aços é explicada por várias teorias. Uma das mais bem aceitas é a teoria da camada protetora constituída de óxidos. Segundo essa teoria, a proteção é dada por uma fina camada de óxidos, aderente e impermeável, que envolve toda a superfície metálica e impede o acesso de agentes agressivos. Outra teoria julga que a camada seja formada por oxigênio adsorvido. Entretanto o que parece estar fora de dúvida é que, para apresentarem suas características de resistência à corrosão, os aços inoxidáveis devem manter-se permanentemente em presença de oxigênio ou de uma substância oxidante.
Costuma-se agrupar os aços inoxidáveis, segundo sua estrutura metalográfica, nas seguintes classes:
Aços inoxidáveis ferríticos;
Aços inoxidáveis martensíticos;
A estrutura desses aços é determinada basicamente por sua composição química, sobretudo pelos teores de carbono (C), cromo (Cr), níquel (Ni), manganês (Mn), etc., bem como pelos tratamentos térmicos e mecânicos realizados.
O teor de carbono (C) influencia as características desses aços em diferentes sentidos. A partir de um certo teor, o carbono torna temperáveis em determinados aços, que são classificados martensiticos; com teores mais baixos de carbono (C), o mesmo aço não é temperável, se enquadrando, portanto entre os aços ferríticos. Esse é o caso típico dos aços – cromo com 13% a 18% de cromo (Cr).
Quanto ás características de resistência à corrosão, o carbono tem uma influência desfavorável nos aços austeníticos: os de teor mais elevado são normalmente mais propensos a sofrer corrosão intercristalina do que os de teor mais baixo.
Tabela 2.7: tabela das propriedades mecânicas do aço inoxidável
2.6 - Critérios de Resistência
2.6.1 - Coeficiente de segurança Tensão equivalente
Seja um ponto qualquer, pertencente a um corpo em equilíbrio, submetido a um estado de tensões cujas tensões principais estão representadas na figura 2.33.
Figura2.33 – Tensões principais para um estado de tensões.
Chama-se de coeficiente de segurança (N) ao número, maior que a unidade, que ao multiplicar o estado de tensões provoca a falha do material.
Chama-se de Tensão equivalente (σeq) uma tensão de tração simples que multiplicada pelo mesmo coeficiente de segurança do estado de tensão leva o material à falha por tração.
Note-se, aqui, que o conceito de falha está associado à falência do funcionamento do equipamento no qual o corpo se insere. Por exemplo, para um material dúctil, normalmente a falência ocorre quando a tensão simples de tração atinge o valor da tensão de escoamento (Syp). para os materiais frágeis, que não apresentam deformação plástica representativa, a falência ocorre quando a tensão de tração atinge o valor da tensão limite de ruptura (Sult).
σeqx N ≤ σrou
onde σr é a tensão de falha do material.
Com este conceito de tensão equivalente se torna razoavelmente simples executar o dimensionamento dos elementos já que as tensões de escoamento e ruptura, bem como outras, são de fácil determinação e conhecimento generalizados.
Deve-se, entretanto, estabelecer uma forma de determinação da tensão equivalente para que ela possa representar com eficácia o estado de tensões existente no ponto em estudo.