UC02947

Aplicar materiais em contextos de manutenção industrial

Curso profissional · 25h · TMIM

Índice

  1. Metais Ferrosos — aços (classificação, tratamentos térmicos, soldabilidade), ferros fundidos
  2. Metais Não Ferrosos — alumínio, cobre, titânio, suas ligas, aplicações na manutenção
  3. Polímeros e Elastómeros — termoplásticos, termorígidos, borrachas técnicas, vedantes
  4. Materiais Compósitos e Cerâmicos — GFRP, CFRP em componentes industriais, cerâmicos de corte
  5. Selecção de Materiais — critérios (propriedades mecânicas, custo, disponibilidade, reciclabilidade)
  6. Degradação e Falha — corrosão (tipos, protecção), fadiga, desgaste abrasivo, análise de falha

Bloco 1

Metais Ferrosos

Classificação dos Aços

Classe Teor C (%) Resistência (MPa) Exemplo Aplicação
Aço extra-suave < 0,15 320–400 S185 Chapa de construção
Aço macio 0,15–0,30 400–550 S235, S275 Estruturas, perfis
Aço médio 0,30–0,60 550–850 C45, S355 Veios, engrenagens
Aço duro 0,60–0,85 850–1100 C60 Molas, ferramentas
Aço extra-duro > 0,85 > 1100 C100 Ferramentas de corte

Aços de liga: adição de Cr, Ni, Mo, V → maior resistência, temperabilidade, resistência ao desgaste

Tratamentos Térmicos

Têmpera: Aquecimento (Taustenite) + arrefecimento rápido → martensita → alta dureza

  • Risco: fissuras se arrefecimento muito brusco; requer revenimento posterior

Revenimento: Após têmpera, reaquecimento a 150–600°C → reduz fragilidade, ajusta dureza

  • Baixo revenimento (150–250°C): mola, ferramentas → dureza 58–62 HRC
  • Alto revenimento (500–600°C): veios, engrenagens → dureza 28–35 HRC + boa tenacidade

Recozimento: Aquecimento lento + arrefecimento muito lento → elimina tensões, amolece

Normalização: Aquecimento + arrefecimento ao ar → microestrutura homogénea, tensões residuais baixas

Cementação: Difusão de C na superfície + têmpera → superfície dura + núcleo tenaz (ideal para engrenagens)

Ferros Fundidos

Tipo Microestrutura Rm (MPa) Maquinabilidade Aplicação
Cinzento (GG) Grafite lamelar 100–350 Excelente Corpos de bomba, carcaças
Dúctil (GGG) Grafite nodular 350–800 Boa Veios de manivela, eixos
Branco Cementite 300–500 Muito difícil Roletes, superfícies de desgaste
Maleável Grafite roseta 300–500 Boa Peças pequenas, acessórios

GG25 vs GGG40: Na manutenção, preferir GGG (mais tenaz, suporta impactos) para substituição de peças estruturais.

Bloco 2

Metais Não Ferrosos

Alumínio e suas Ligas

Série de ligas de alumínio (classificação AA):

Série Elemento de liga Resistência Aplicação na manutenção
1xxx Al puro (>99%) Baixa Condutores, folha
2xxx Cu Alta (após tratamento) Estruturas aeronáuticas
3xxx Mn Média Permutadores de calor
5xxx Mg Média-alta Estruturas navais, tampas
6061/6082 Mg+Si Alta (T6) Perfis estruturais, veios leves
7075 Zn Muito alta Componentes críticos aeronáutica

Na manutenção industrial: 6061-T6 e 6082-T6 são as mais usadas — fácil maquinagem, boa relação resistência/peso, boa soldabilidade (MIG/TIG).

Cobre, Titânio e suas Ligas

Ligas de cobre mais usadas na manutenção:

Liga Composição Propriedades Aplicação
Bronze SAE 40 Cu-Sn 10% Resistente ao desgaste e corrosão Casquilhos, buchas
Latão CW508L Cu-Zn 37% Boa maquinabilidade Parafusos, porcas
Bronze P Cu-Sn-P Alta resistência ao desgaste Engrenagens, casquilhos de carga
Cobre Cu-OF 99,9% Cu Alta condutividade eléctrica Barras e cabos eléctricos

Titânio Ti-6Al-4V (Grau 5):

  • Resistência específica muito alta (Rm/ρ superior ao aço)
  • Excelente resistência à corrosão (ambientes químicos, marítimos)
  • Maquinagem difícil (condutividade térmica muito baixa → risco de soldagem)
  • Uso em manutenção: implantes de bombas químicas, parafusos de alta resistência em ambiente corrosivo

Bloco 3

Polímeros e Elastómeros

Termoplásticos de Engenharia

Material Tg/Tf (°C) Rm (MPa) Resistência química Aplicação industrial
PA6 (Nylon) 220 75 Boa (excepto ácidos) Engrenagens, rodas dentadas
PA66 265 85 Boa Casquilhos, buchas
POM (Delrin) 165 65 Excelente Guias, cames, rodas
PEEK 343 100 Excelente Alta temperatura (>200°C)
PTFE (Teflon) 327 20 Excelente Vedantes, deslizadores
UHMWPE 130 25 Excelente Calhas, guias de baixo atrito

Elastómeros e Vedantes Técnicos

Elastómero Sigla T máx. (°C) Resistência a óleos Aplicação
Borracha natural NR 80 Fraca Juntas de água
Nitrilo NBR 120 Excelente O-rings hidráulicos, vedantes de óleo
Viton (FKM) FPM 200 Excelente Aplicações de alta temperatura e química
EPDM EPDM 150 Fraca (óleo) Vedantes de água/vapor
Silicone VMQ 200 Boa Vedantes alimentares, temperatura extrema
Poliuretano PU 100 Boa Raspadores, vedantes dinâmicos

Regra de selecção: NBR para sistemas hidráulicos com óleo mineral; FKM para fluidos sintéticos, químicos ou temperaturas > 120°C.

Bloco 4

Materiais Compósitos e Cerâmicos

Compósitos em Contexto Industrial

GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer):

  • Fibra de vidro E + matriz de poliéster ou epóxi
  • Rm ≈ 200–350 MPa; módulo 15–25 GPa
  • Aplicações: carcaças de protecção, tampas de máquinas, tubagens químicas
  • Risco de manutenção: abrasivo ao cortar (usar EPI respiratório)

CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer):

  • Fibra de carbono + matriz epóxi
  • Rm ≈ 600–1000 MPa; módulo 50–150 GPa; baixíssima densidade
  • Aplicações: braços robóticos, estruturas de máquinas de alta velocidade
  • Na manutenção: não furar sem guia (delamination); usar brocas especiais carburo

Cerâmicos técnicos na maquinagem:

  • Al₂O₃ (alumina): pastilhas de torneamento de ferro fundido a alta velocidade
  • Si₃N₄ (nitreto de silício): maquinagem de ferro fundido cinzento, alta Vc
  • CBN (nitreto de boro cúbico): maquinagem de aços endurecidos (>45 HRC)

Bloco 5

Selecção de Materiais

Processo de Selecção

Método de Ashby (gráficos de propriedades):

REQUISITOS DA PEÇA
       │
       ▼
Função → o que faz a peça?
Restrições → que limitações existem (T, química, norma)?
Objectivos → maximizar/minimizar (Rm/ρ, custo, vida útil)?
Variáveis livres → que material e processo?
       │
       ▼
ÍNDICE DE DESEMPENHO (Merit Index)
Ex.: para viga de flexão de massa mínima: E^(1/2)/ρ
       │
       ▼
FILTRAR nos gráficos Ashby
       │
       ▼
SELECÇÃO FINAL (considerar custo, disponibilidade, reciclagem)

Bases de Dados e Critérios

Bases de dados de materiais:

  • MatWeb (matweb.com): base de dados livre com >130 000 materiais; propriedades mecânicas, térmicas, eléctricas
  • Granta CES EduPack (Ansys): ferramenta académica/industrial; gráficos de Ashby; índices de desempenho
  • ASM Handbook (ASM International): referência técnica completa para metais

Critérios de selecção na manutenção industrial:

Critério Peso Considerações
Propriedades mecânicas Alto Rm, Rp0,2, dureza, fadiga
Resistência ambiental Alto Corrosão, temperatura, fluidos
Custo e disponibilidade Médio Preço/kg, lead time, stock local
Maquinabilidade/soldabilidade Médio Custo de fabrico
Reciclabilidade Baixo-médio REACH/RoHS, resíduos perigosos

Bloco 6

Degradação e Falha

Tipos de Corrosão

Tipo Mecanismo Exemplo Protecção
Uniforme Ataque homogéneo da superfície Aço exposto a humidade Pintura, galvanização
Galvânica Par galvânico (2 metais diferentes em electrólito) Al + aço inox em água do mar Isolamento, ânodo de sacrifício
Por picadas (pitting) Ataque localizado em pontos Inox em presença de Cl⁻ Inox de alta liga (316L+)
Em frestas (crevice) Espaço estreito + electrólito estagnado Flanges, rosca imersa Eliminar frestas, selagem
Intergranular Ataque nos limites de grão Inox sensitizado Tratamento térmico de homogeneização
Por tensão (SCC) Tensão + ambiente corrosivo Latão em amoníaco Alívio de tensões

Fadiga e Desgaste

Fadiga:

  • Falha por carga cíclica abaixo da Rm estática
  • Limite de fadiga: ≈ 0,4–0,5 × Rm (aço); não existe limite para Al
  • Iniciação em concentradores de tensão: raios de concordância, ranhuras, marcas de maquinagem

Mecanismos de desgaste:

  1. Abrasivo: partículas duras riscam a superfície → principal em guias e fusos CNC
  2. Adesivo (galling): soldagem a frio entre superfícies em contacto → atrito seco, alumínio
  3. Erosão: partículas em suspensão num fluido atingem a superfície → bombas, válvulas
  4. Fadiga de contacto (pitting): carga cíclica de Hertz → rolamentos, engrenagens

Fractografia: análise da superfície de fractura para determinar o modo de falha:

  • Estriações de fadiga: linhas paralelas → propagação cíclica
  • Dimples: covetas esféricas → fractura dúctil
  • Clivagem: superfície brilhante, plana → fractura frágil

Resumo da UC02947

Competências adquiridas:

  • Classificar metais ferrosos e não ferrosos e seleccionar para aplicações de manutenção
  • Identificar polímeros, elastómeros e compósitos usados em componentes industriais
  • Aplicar o processo de selecção de materiais usando critérios técnicos e económicos
  • Diagnosticar modos de degradação (corrosão, fadiga, desgaste) e propor soluções de material

Avaliação: Ficha 1 (classificação + selecção) + Ficha 2 (análise de falha) + Projecto (análise de falha completa 10h)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Teor de carbono define as propriedades do aço A classificação dos aços parte de um princípio simples: mais carbono significa mais dureza e resistência, mas menos ductilidade e soldabilidade. Na manutenção, identificar a classe de um aço orienta logo se é peça estrutural, veio sujeito a desgaste ou ferramenta de corte, e condiciona qualquer tratamento ou soldadura posterior. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Ligar o teor de carbono à soldabilidade e à necessidade de pré-aquecimento • Explicar o papel dos elementos de liga Cr, Ni, Mo na temperabilidade • Associar cada classe a peças concretas da oficina (perfis, veios, molas)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Tratamentos térmicos ajustam dureza e tenacidade Os tratamentos térmicos permitem transformar o mesmo aço numa peça dura ou tenaz consoante a aplicação. A sequência têmpera-revenimento é central: a têmpera dá dureza mas fragiliza, e o revenimento devolve tenacidade controlando a dureza final. A cementação resolve o caso clássico da engrenagem, que precisa de superfície dura e núcleo resistente ao choque. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque a têmpera sem revenimento deixa a peça frágil • Comparar recozimento e normalização no alívio de tensões • Justificar a cementação numa engrenagem com superfície dura e núcleo tenaz

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A forma da grafite governa o ferro fundido O comportamento de um ferro fundido depende sobretudo da forma da grafite: lamelar no cinzento, nodular no dúctil. O cinzento amortece vibração e maquina-se bem, mas é frágil à tracção; o dúctil suporta impacto e é a escolha segura quando se substitui uma peça estrutural sem saber a carga exacta. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Relacionar a grafite lamelar com a capacidade de amortecimento de vibração • Explicar porque o ferro dúctil substitui com segurança peças sob impacto • Alertar para a dificuldade de soldar ferro fundido (pré-aquecimento, eléctrodo de níquel)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Séries de alumínio e o significado do T6 A classificação por séries indica o elemento de liga dominante e, com ele, o comportamento da liga. O sufixo de têmpera, como o T6, é tão importante quanto a série, porque define o tratamento que confere a resistência. Na oficina, a 6061 e a 6082 dominam por combinarem resistência razoável, baixo peso e boa soldabilidade. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar o que significa o estado T6 e como afecta a resistência • Justificar a escolha da série 6xxx para perfis estruturais leves • Alertar para a perda de resistência na zona afectada pelo calor ao soldar alumínio

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Cobre e titânio para funções especializadas As ligas de cobre resolvem dois problemas distintos: os bronzes dão superfícies de deslizamento resistentes ao desgaste para casquilhos, e o cobre puro conduz electricidade. O titânio entra onde a corrosão derrota o aço inox, ao custo de uma maquinagem difícil pela sua baixa condutividade térmica. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Distinguir bronze (Cu-Sn) de latão (Cu-Zn) e as suas aplicações típicas • Explicar porque o cobre puro se usa em barramentos e cabos • Relacionar a baixa condutividade térmica do titânio com o risco de colagem no corte

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Termoplásticos de engenharia substituem metal Estes polímeros técnicos resolvem problemas onde o metal falha: baixo atrito, ausência de lubrificação, resistência química e leveza. POM e nylon fazem engrenagens silenciosas, PTFE veda e desliza, e o PEEK aguenta temperaturas elevadas. Escolher pela combinação de temperatura de serviço e ambiente químico evita falhas precoces. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar peças reais em POM ou nylon e o seu baixo atrito sem lubrificação • Relacionar a temperatura de serviço com a escolha entre POM, PA e PEEK • Explicar a resistência química do PTFE e os seus limites mecânicos

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Elastómero certo para o fluido e a temperatura A escolha do elastómero de um vedante decide-se pelo binómio fluido-temperatura. O NBR é o cavalo de batalha dos sistemas hidráulicos com óleo mineral, mas falha acima dos 120°C ou com fluidos agressivos, onde entra o FKM (Viton). Um vedante mal escolhido incha, endurece ou degrada-se, causando fugas que parecem avarias mecânicas. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Aplicar a regra prática NBR vs FKM a casos concretos de sistemas hidráulicos • Explicar porque o EPDM não convive com óleos mas serve para água e vapor • Mostrar um O-ring degradado e relacionar o aspecto com a causa de falha

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Compósitos e cerâmicos na indústria Os compósitos GFRP e CFRP trazem alta resistência com baixo peso, mas exigem cuidados próprios na manutenção: cortam-se com pó abrasivo perigoso e furam-se com risco de delaminação. Os cerâmicos técnicos surgem aqui como materiais de ferramenta para maquinar ferro fundido e aços duros a alta velocidade. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Reforçar o EPI respiratório ao cortar fibra de vidro • Explicar a delaminação ao furar CFRP e o uso de brocas e guias adequadas • Distinguir os cerâmicos como peça versus como material de corte

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Selecção de materiais como método, não palpite O método de Ashby transforma a escolha de um material num processo lógico: definir função, restrições e objectivos, derivar um índice de desempenho e filtrar candidatos. Esta disciplina evita o erro comum de substituir uma peça pelo material que está à mão, sem perceber porque o original foi escolhido. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Trabalhar um exemplo simples: função, restrições e objectivo de uma peça • Explicar o conceito de índice de desempenho com um caso de massa mínima • Sublinhar que custo e disponibilidade entram só na decisão final

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Ferramentas e critérios de decisão na prática Conhecer as bases de dados como o MatWeb e o CES EduPack dá ao técnico acesso rápido a propriedades fiáveis em vez de depender da memória. A matriz de critérios mostra que na manutenção industrial as propriedades mecânicas e a resistência ambiental pesam mais, mas custo, disponibilidade e conformidade legal (REACH/RoHS) entram sempre na decisão. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Demonstrar uma consulta simples ao MatWeb para uma propriedade concreta • Discutir como o lead time e o stock local condicionam a escolha real • Introduzir o impacto das normas REACH/RoHS na selecção de materiais

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Reconhecer os tipos de corrosão A corrosão raramente é uniforme: as formas localizadas como picadas, frestas e galvânica são as mais traiçoeiras porque perfuram sem aviso visível. Identificar o mecanismo no campo é o que permite escolher a protecção certa, seja mudar de liga, isolar metais diferentes ou eliminar frestas onde o electrólito estagna. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar o par galvânico e a solução do ânodo de sacrifício • Relacionar os cloretos com o pitting do inox em ambientes marinhos • Mostrar como a concepção (frestas, junções) influencia a corrosão

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Fadiga, desgaste e leitura da fractura A fadiga é insidiosa porque a peça parte sob cargas muito abaixo da resistência estática, sempre a partir de um concentrador de tensão. Os mecanismos de desgaste e a fractografia dão ao técnico a capacidade de ler uma peça partida e dizer porque falhou, fechando o ciclo entre material, solicitação e modo de falha. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque raios de concordância e marcas de maquinagem iniciam fadiga • Distinguir os quatro mecanismos de desgaste com exemplos de componentes • Treinar a leitura de uma superfície de fractura (estriações, dimples, clivagem)

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Integração do conhecimento de materiais O resumo encerra um percurso que vai da classificação dos materiais à análise da sua falha. A mensagem-chave é que aplicar materiais em manutenção não é só conhecer propriedades, mas saber escolher, prever a degradação e diagnosticar a causa quando algo parte. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Recapitular a ligação entre selecção de material e modo de falha esperado • Esclarecer o que se avalia em cada ficha e no projecto de análise de falha • Orientar o projecto como aplicação integrada de toda a UC