Metais Ferrosos e Não Ferrosos EMC Volume II

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Curso de Graduação em Engenharia de Materiais Metais Ferrosos e Não Ferrosos EMC 5715 Volume II Professor: Antonio Pedro Novaes de Oliveira

2 Classificação dos aços carbono e ligados Para fins de estudo pode-se classificar os aços de três modos diferentes: De acordo com a microestrutura; De acordo com a composição química; De acordo com a aplicação.

3 Classificação dos aços carbono e ligados De acordo com a microestrutura: Perlíticos; Martensíticos; Austeníticos; Ferríticos; Carbídicos. Austeníticos Carbídicos Perlíticos Martensíticos Ferríticos

4 Classificação dos aços carbono e ligados De acordo com a composição química: Aços ao carbono: carbono e elementos químicos residuais; Aços-liga de baixo teor em liga: estão presentes os elementos residuais acima dos teores normais e/ou com a presença de novos elementos de liga, cujo teor total não é maior que 3-3,5%; Aços-liga de alto teor em liga: teor total dos elementos de liga é maior ou igual a 10-12%; Aços-liga de médio teor em liga: são considerados como constituindo um grupo intermediário entre os aços de baixo e médio teor em liga.

5 Classificação dos aços carbono e ligados De acordo com a composição química: Designação AISI/ABNT 10XX 11XX 43XX 86XX 92XX XXLXX Ex.: Tipos de aços Aços carbono comuns Aços de usinagem fácil c/ alto S Aços Cr-Ni-Mo c/ 0,5-0,8% Cr; 1,82 Ni; 0,25% Mo Aços Ni-Cr-Mo c/ 0,55% Ni; 0,50-0,65% Cr; 0,20% Mo Aços Si-Mn c/ 1,4-2,0% Si; 0,65-0,87% Mn; 0-0,65% Cr (molas) Aços ao Pb c/ 0,15-0,35% de Pb AISI: American Iron and Steel Institute; ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas. XX Indica teores de carbono, XX/100 (%); B - Aços ao Boro; L Aços ao Chumbo; Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

6 Classificação dos aços carbono e ligados De acordo com a aplicação: Aços para fundição; Aços estruturais; Aços para trilhos; Aços para chapas; Aços para tubos; Aços para arames e fios; Aços para molas; Aços de usinagem fácil ou de corte fácil; Aços para cementação; Aços para nitretação; Aços para ferramentas e matrizes; Aços resistentes ao desgaste; Aços resistentes à corrosão; Aços resistentes ao calor; Aços ultra-resistentes; Aços grafíticos; Aços criogênicos; Aços sinterizados.

7 Impurezas normais nos aços Efeito sobre as propriedades mecânicas dos aços: Fósforo (P): 0,025-0,04 máx. Dissolve-se no Ferro alfa, fragilizando a frio (crescimento de grão e endurecimento); P=0,4%, produz estrutura ghost lines e/ou eutético fosforoso (steadita) Steadita (Fe 3 P + Fe 3 C) tem baixo ponto de fusão C produzindo fragilidade a quente nos processos de fabricação. Enxofre (S): 0,025-0,05: Combina-se com o Fe e Mn formando FeS (T f =1000 C) e MnS (T f =1600 C ). FeS pode causar fragilidade a quente. Manganês (Mn): Agente dessulfurante e desoxidante em teores de 025-0,90%, (5Mn:1S). Silício (Si): Dissolve-se no ferro alfa entre 0,05 e 0,30%. Principal função: agente desoxidante. Outras impurezas: Alumínio (Al): Desoxidante (introduzido=0,15%, residual= 0,015-0,025%) formando inclusões de alumina para controlar tamanho de grão. Hidrogênio (H): Teores de 0,001-0,0001% : ocasiona fragilidade. Nitrogênio (N): Teores acima de 0,01% ocasiona endurecimento por precipitação (formação de nitretos de ferro). Oxigênio (O): Formação de óxidos, pontos duros e concentração de tensões levando a uma diminuição da resistência mec. do aço. Outros elementos podem ser encontrados como o Sn, proveniente de sucatas, e/ou Ti, V, Zr, Cr, Cu.

8 Propriedades mecânicas dos aços Efeito da microestrutura e impurezas nas prop. mec. dos aços: textura ghost lines Steadita (Fe 3 C + Fe 3 P) Estrutura bruta de fusão Aço de baixo carbono com diferentes graus de encruamento.

9 Propriedades mecânicas dos aços Efeito do grau de encruamento ou deformação: Redução (%) = [(A i A f )/A i ] x 100 Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

10 Propriedades mecânicas dos aços Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

11 Propriedades mecânicas dos aços Propriedades mecânicas dos microconstituintes dos aços: Constituinte s: σ max (kgf/mm 2 ) A (%) HB Poder endurecedor com a têmpera Ferrita 35 ~40 90 Nenhum Perlita 85 ~ Máximo Cementita Nenhum Propriedades mecânicas dos aços são afetadas: Composição química; Microestrutura: Trabalho mecânico; Tamanho de grão; Velocidade de resfriamento. Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V., 2005

12 Aços para fundição ou fundidos Praticamente todos os aços ao carbono ou ligados podem ser obtidos por fundição (processo de fusão e solidificação em molde). Requisitos fundamentais: Homogeneidade, baixo nível de defeitos ao longo da seção das peças; Granulação fina e regular, completa isenção de tensões internas; Propriedades mecânicas adequadas. Depende do grau de responsabilidade das aplicações e são reguladas pelos teores de carbono e eventual adição de elementos de liga e apropriados tratamentos térmicos.

13 Aços para fundição ou fundidos Considerações sobre o projeto metalúrgico de peças fundidas: Resistência real do metal, em função da espessura das peças; Forma da peça: semelhança com outras peças, posição de montagem e condições de serviço; Espessuras das paredes: o mais uniforme possível; Previsão de defeitos de solidificação: defeitos ocorrem onde há excesso de massa de metal; Condições de vazamento do metal líquido (baixa fluidez, contração, resistência mecânica.

14 Aços para fundição ou fundidos Considerações sobre o projeto metalúrgico de peças fundidas:

15 Aços para fundição ou fundidos Soldabilidade dos aços fundidos: Tipos de aço Soldabilidade geral Pré-aquecimento Recozimento p/ alívio de tensões Aço-carbono c/ C<0,30% Aço-liga de baixo teor em liga (C<0,15%) Aço-carbono c/ C entre 0,35 e 0,50% Aço-liga de baixo teor em liga (C entre 0,15 e 0,30%) Aço-carbono c/ C>0,50% Aço-liga c/ teor em liga acima de 3% e C>0,30% Prontamente soldáveis Soldáveis com precausões Difíceis de soldar Desnecessário Desnecessário Preferível Preferível Necessário Necessário Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V., 2005

16 Aços estruturais Aços estruturais são aços empregados principalmente em construção civil, veículos em geral, equipamento rodoviário, ferroviário, naval, aeronáutico, etc. Aços ao carbono (80% desta categoria de aços é comum ao carbono, 0,15-0,40%C, e de baixo carbono laminado a quente ou, eventualmente, encruado) e de baixa liga para fabricação de barras, tiras, cantoneiras vigas em I, U, T, etc. Requisitos Fundamentais: Ductilidade e homogeneidade; Valor elevado da relação entre limite de resistência (40-50 kgf/mm 2, A=20%) e limite de escoamento; Soldabilidade; Suscetibilidade de corte por chama, sem endurecimento; Resistência razoável à corrosão; Baixo custo.

17 Aços estruturais Exemplos de perfis:

18 Aços estruturais Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

19 Aços estruturais Resistência à corrosão atmosférica (0,25% Cu): Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

20 Aços para trilhos Trilhos são componentes/materiais sujeitos a condições relativamente severas de choques e esforços de flexão alternados e de desgaste da superfície. As extremidades dos trilhos estão sujeitas a um amassamento produzido pela queda das rodas dos trens em movimento. Este amassamento é atenuado por meio da têmpera superficial; uso de aços ligados (0,02-0,04%Nb) e ao manganês austeníticos nos cruzamentos e desvios onde a linha é muito sobrecarregada. Os aços são em geral ao carbono (0,6-0,8%C). Mn em teores relativamente maiores (0,60-1,4%) para evitar fragilidade a quente (FeS) já que os trilhos são laminados a quente. Propriedades típicas: Limite de resistência = 98 kgf/mm 2 Limite de escoamento = 60 kgf/mm 2 ; Alongamento = 9%; Dureza Brinell = 300; Resistência ao Impacto = 0,28 kg.m

21 Aços para chapas Chapas são materiais caracterizados pela ductilidade e facilidade de conformação. Não apresentam, em geral, elevada resistência mecânica já que as cargas normalmente suportadas limitam-se ao próprio peso. Deveriam apresentar certa resistência à corrosão atmosférica. Como não apresentam este característico costuma-se aplicar revestimentos protetores (ex.: zincagem ao fogo ou eletrolítica/galvanização ou estanhadas, folhas de flandres ou esmaltadas). As propriedades destes aços podem ainda ser ajustadas mediante tratamentos térmicos de normalização, recozimento e alívio de tensões. Requisitos fundamentais: Elevada trabalhabilidade/ductibilidade c/ prejuízo da resistência mecânica; Soldabilidade adequada; Superfície sem defeitos; Baixo custo.

22 Aços para chapas Produtos tipo chapa: Laminadas a quente ou a frio a partir de aços acalmados (~0,15% Al introduzido) ou efervescentes. Folha: espessura <0,30 mm e largura qualquer; Tira: 0,30<espessura<5,00 mm e largura <300 mm; Chapa fina: 0,30<espessura<6,00 mm e largura >300 mm; Barra chata: espessura >5,00 mm e largura <300 mm; Chapa grossa: espessura >5,00 mm e largura >300 mm. Composição química típica: C: 0,05-0,55% Mn: 0,15-1,50% Si: 0,30-0,50% P+S: <0,05% *Em alguns casos pode-se especificar cobre até 0,20%. Propriedades mecânicas típicas: Limite de escoamento: kgf/mm 2 ; Limite de resistência: kgf/mm 2 ; Alongamento: 40-14%; Estricção: 78-65%; Dureza Brinell:

23 Aços para chapas Problemas de fabricação: Linhas de Lüder ou linhas de distensão: linhas alongadas (sob tensão de tração as linhas apresenta-se como depressões e sob compressão como saliências) que surgem em aços (baixo carbono) recozidos quando laminados com cargas imediatamente acima a de escoamento do material desaparecendo quando a carga de deformação excede 5 a 10% do valor que a originou ou passe de laminação a frio (redução de 0,5 a 1,5%) depois do recozimento. Não prejudicam a resistência mecânica do aço mas influenciam o aspecto estético dos produtos fabricados com chapas. Nos aços acalmados este defeito desaparece permanentemente mas nos aços efervescentes pode reaparecer. Casca de laranja: Superfície grosseira e rugosa após estampagem profunda causado pela utilização de aços de baixo carbono com granulação grosseira. Recomenda-se, neste caso, para eliminar o problema, o uso de aços com granulação entre 5 e 8 ASTM. O defeito produzido pode ser eliminado por linchamento/polimento ou com lima. Variação de espessura: causando problemas dimensionais nas peças produzidas e nas ferramentas de estampagem.

24 Aços para tubos Tubos são produtos vazados com elevada razão de aspecto (elevada relação comprimento/seção) com seções circulares, quadradas, retangulares, etc..., fabricados a partir de aços similares aos aços estruturais e para chapas. Finalidade: condução/contenção de líquidos, sólidos e vapores/gases. Processo de fabricação: Tubos inteiriços ou sem costura: tubos fabricados a partir de tarugos os quais são perfurados ou extrudados ou fundidos com diâmetros de até 660 mm. Aplicações de elevada responsabilidade como em caldeiras e superaquecedores, refinaria e destilação. Tubos soldados ou com costura: os tubos (com diâmetros de até 762 mm) são obtidos a partir de tiras de aço grossas ou finas laminadas a quente e dobradas e suas extremidades soldadas. Aplicações como encanamentos de água, eletrodutos para fios elétricos e telefônicos, fins estruturais e ornamentais.

25 Aços para tubos Aços para tubos: Os aços para tubos são comumente de baixo teor de carbono (<0,30%C) e Mn< 1,50%. O limite de resistência mecânica, no estado recozido, pode variar de 32 a 50 kgf/mm 2 com alongamento entre 28 e 18%. No estado trefilado estes aços podem alcançar limites de resistência mecânica de 45 a 65 kgf/mm 2 com alongamento entre 6 e 4%. Para aplicações a elevadas temperaturas adiciona-se Cr (0,50-10%) para melhorar a resistência à corrosão à oxidação e Mo (0,45-1,10%) para melhorar a resistência a fluência.

26 Aços para tubos Composições, propriedades e aplicações de produtos tubulares de aço para pressão. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

27 Aços para arames e fios Arame ou fio é um produto obtido por trefilação, de seção transversal uniforme, geralmente circular, muito pequena em relação ao comprimento. Esses produtos podem apresentar também seções quadradas, hexagonais, octogonais, ovais, triangulares, chatas, etc. As dimensões das seções podem variar desde 0,02 mm até cerca de 25 mm. Para a fabricação de arames parte-se do chamado fiomáquina obtido por laminação a quente de barras em geral quadradas. Os aços utilizados na produção de arames ou fios na maioria são ao carbono e de baixo teor para aplicações mais comuns até aços de médio e de alto teores de carbono inclusive aços de baixa ligas para aplicações de maior responsabilidade, no estado recozido ou encruado. Aplicações: pregos simplesmente acabados por jateamento, galvanizados ou estanhados; arames para cercas lisos ou farpados no estado galvanizado; arames para concreto armado (malhas e telas); arames para fardos; cabos ou tirantes; fio de música ou corda de piano; molas.

28 Aços para arames e fios Processo de fabricação: No processo de trefilação o fio máquina é inicialmente decapado em solução de ácido sulfúrico ou ácido muriático aquecido (banho) a vapor (5-20% concentração). O material é em seguida, lavado em água corrente e recebe uma camada de cal para neutralizar o excesso de ácido, evitar a oxidação e servir como portador do lubrificante (comum: sabão em pó) durante trefilação. O material é puxado (velocidades de 5 a 15 m/s) através de fieiras de metal duro em passes sucessivos (1-19 passes, redução em área de 20-30% por passe). Redução (%) = [(A i A f )/A i ] x 100 Classificação dos fios de aço carbono: Não patenteados (encruados, recozidos, normalizados e posteriormente temperados e revenidos); Patenteados (tratamento isotérmico, austêmpera) - visa melhorar os limites de elasticidade e de resistência mecânica e a tenacidade) após trefilação.

29 Aços para arames e fios Classificação dos arames: Tipo de aço % de carbono Estado Principais aplicações Baixo carbono 0,08-0,20 Encruado Recozido ou normalizado Médio carbono 0,20-0,50 Recozido Patenteado e trefilado Alto carbono 0,60-1,00 Encruado Patenteado e trefilado Eletrodos de solda, pregos, pinos. (σ f = kgf/mm 2 ). Arames lisos e farpados, telas, parafusos e rebites. Parafusos (posteriormente temperados e revenidos). Cabos, molas de pequena responsablidade. Eletrodos de solda, arruelas de pressão. Fio ou corda de piano, cabos para serviço pesado, tirantes, molas, etc. (σ f = 280 kgf/mm 2 ). Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V., 2005

30 Aços para molas Molas são elementos de máquina que exigem cuidados especiais com relação ao projeto e a especificação dos materiais utilizados para sua fabricação. Estão sujeitas a esforços variados e extremos, variações de temperatura, meios corrosivos e abrasivos, vibrações, etc. Podem ser do tipo helicoidal ou em espiral ou semielípticas. As molas helicoidais são divididas em: de extensão: de bobina fechada para esforços de tração-material trabalha sob torção; de compressão: de bobina aberta para suportar esforços de compressão e choquematerial trabalha sob torção; de torção: de bobina fechada para suportar esforços laterais de torção-material trabalha sob dobramento. As molas helicoidais são fabricadas a partir de barras e fios e as semi-elípticas a partir de tiras de aço.

31 Aços para molas Fabricação e composição química: As molas são obtidas a partir de tiras ou fios de aço carbono ou aço liga no estado recozido. As molas conformadas são então temperadas em óleo e revenidas; As molas podem ser fabricadas a partir de fios ou tiras já endurecidos (temperados e revenidos ou patenteados e estirados a frio). As bolas obtidas são tratadas termicamente (alívio de tensões a baixa temperatura). Os aços ao carbono (0,50-1,20%C) satisfazem quase que completamente aos requisitos exigidos para molas, temperatura de trabalho até 120 C. Algumas aplicações exigem aços ligados (maior limite de fadiga e maior temperatura de trabalho, 230 C) contendo Cr e V ou Si e Mn em teores acima dos normais. Requisitos/propriedades fundamentais para fios e molas: Elevado limite de elasticidade; Elevada resistência ao choque-veículos em geral; Elevado limite de fadiga-baixo nível de defeitos internos e sobretudo superficiais (marcas de ferramenta, riscos das fieiras de trefilação, inclusões, rugosidades, descarbonetação superficial, oxidação).

32 Aços (carbono) para molas Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

33 Aços para molas Prop. mec. de aços p/ molas hel. enroladas a frio Para melhorar as propriedades finais das molas, sobre tudo a resistência à fadiga, recorre-se ao encruamento superficial das molas por jateamento (introdução de tesões de compressão na superfície das molas, revestimentos com Cd para melhorar a resistência à corrosão e à abrasão. A pintura também é utilizada. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

34 Aços de usinagem fácil Aços de usinagem fácil são aços que apresentam melhor desempenho durante usinagem, são cortados mais facilmente possibilitando maior produtividade em processos de produção em massa de peças com dimensões e geometrias variadas. A usinabilidade é uma propriedade relacionada com a facilidade com que um material pode ser cortado, de acordo com as dimensões, forma e acabamento superficial requeridos comercialmente. A usinabilidade depende, desta forma, de uma série de fatores (qualidade, forma da ferramenta de corte, tipo e estado da máquina ferramenta ou operatriz, velocidade de avanço e profundidade de corte, fluido de resfriamento, etc.). Assim, a usinabilidade não é uma propriedade fácil de se medir e o método mais comum é a usinabilidade relativa que consiste em, sob condições prefixadas de usinagem, determinar qual material garante vida mais longa da ferramenta entre afiamentos consecutivos ou ainda qual o desgaste sofrido pela ferramenta.

35 Aços de usinagem fácil Uma melhor usinabilidade depende da composição química e da microestrutura do aço a ser usinado. Assim, a dureza do aço é um fator importante. Valores elevados de dureza, em geral, significam dificuldades de usinagem ao passo que valores médios e baixos de dureza estão associados a boa usinabilidade. No entanto, a dureza, a rigor, não é um bom parâmetro de avaliação da usinabilidade já que o material usinado encrua e aços com durezas muito baixas ou elevada ductibilidade resultam em adesão do cavaco à ferramenta de corte quando deveriam ser removidos. A microestrutura dos aços, por outro lado, é o fator que melhor caracteriza a usinabilidade. Sem alterar a composição química de um aço é possível melhorar a sua usinabilidade modificando a sua microestrutura por meio de tratamentos térmicos ou mecânicos adequados (aços de baixo carbono, <0,15%C são melhor usinados no estado normalizado, em vez de recozidos ou encruados). Aços de elevado teor de carbono são melhor usinados quando a microestrutura é do tipo esferoidita (tratamento térmico de esferoidização). A formação de inclusões não metálicas (MnS) ou a introdução controlada de metais dúcteis como chumbo e bismuto, formando uma fina dispersão, melhora, significativamente, a usinabilidade constituindo os aços de usinagem fácil.

36 Aços de usinagem fácil MnS Aços de usinagem fácil com inclusões não metálicas: As inclusões são, neste caso, de MnS (sulfeto de manganês) e são produzidas a partir da combinação (adição controlada) de enxofre (0,08-0,24%) e manganês (0,3-1,7), proporção de 1S : 5Mn. Os MnS podem ser globulares ou alongados (aços laminados a quente) e formam, durante usinagem, cavacos curtos/quebradiços (interrompendo o corte) já que atuam como lubrificantes impedindo a adesão do cavaco à ferramenta de corte. A adição de fósforo (P), em teores menores que 0,12%, em aços de baixo carbono, melhora a usinabilidade já que forma cavacos curtos (endurecimento do aço por solução sólida no ferro). Nestas condições a máquina de usinagem é menos solicitada, o acabamento da peça é melhorado, a velocidade de usinagem pode ser aumentada (as vezes duplicada) em comparação com aços não ressulfurados. O aço considerado padrão de usinabilidade é o SAE 1112.

37 Aços de usinagem fácil Principais tipos de aços de usinagem fácil: Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

38 Aços de usinagem fácil Efeito da microestrutura sobre a usinabilidade de aço SAE 4140 (0,4%C; 0,50-0,95%Cr; 0,12-0,25%Mo) Índice de usinabilidade (I.U.) do SAE 1112 é 100. Quando um outro metal tem um I.U. = 70, significa que sua usinabilidade é 70% da do aço SAE 1112 no estado encruado. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

39 Aços de usinagem fácil Efeito da microestrutura sobre a usinabilidade de aço SAE (0,60%C; 0,8-1,0%Cr) Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

40 Aços de usinagem fácil Usinabilidade de aços contendo chumbo: A adição de 0,15-0,35% Pb ao aço no estado líquido resulta em uma fina dispersão de partículas de Pb. Seu uso é limitado a baixas temperaturas já que o Pb funde a 327 C. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

41 Aços resistentes ao desgaste Aços resistentes ao desgaste, neste caso, são aços que por si só, devido as suas características em termos de composição química, possuem elevada resistência ao desgaste, ainda que a mesma lhe seja conferida por tratamentos térmicos ou mecânicos suplementares-aços Mn. Desgaste: Ocorre em peças em movimento relativo, como em eixos, pistões, válvulas, cilindros, engrenagens, aparelhos de transporte, maquinário agrícola, de construção, britadores, escavadeiras, misturadores, revestimento de moinhos, etc. Trata-se de um fenômeno superficial, devido ao contato de superfícies, uma das quais, pelo menos em movimento e que resulta na modificação das suas dimensões ou ajustes com perda de massa até que perdem a sua eficiência em serviço. Tipos básicos de desgaste: Desgaste de metal contra metal-desgaste metálico (15% casos de desgaste); Desgaste de metal contra uma substância não metálica abrasiva-desgaste abrasivo (50% dos casos de desgaste); Desgaste de metal contra líquidos ou vapores-erosão (8% dos casos de desgaste); Outros: 27% dos casos de desgaste.

42 Aços resistentes ao desgaste Fatores dos quais depende a resistência ao desgaste de metais: Acabamento da superfície metálica (bom acabamento); Dureza (dureza elevada); Lubrificação; Elevada resistência mecânica e tenacidade para evitar arrancamento de partículas duras e formação de crateras.

43 Aços resistentes ao desgaste Resistência ao desgaste dos metais pode ser melhorada por meios: Mecânicos, por encruamento, jateamento da superfície do material; Tratamentos térmicos, têmpera; Tratamentos termo-químicos, cementação, nitretação, etc.; Revestimento superficiais, cromo duro, siliconização, eletrodeposição, metalização, etc. Aços-manganês auteníticos ou Hadifield (Inventor, Sir. Robert Hadifield em 1882): C: 1,0 1,4%; Mn: 10 14% Típico: C: 1,2%; Mn: 12 13% Aumento da dureza superficial e da resistência ao desgaste causado por encruamento em serviço (transformação da austenita em martensita). Outros elementos: Si: desoxidante <1% ou até 2%, melhora a resistência mecânica; S: teores normais e não é crítico devido ao elevado teor de Mn; P: 0,1 0,06% Pode conter ainda teores variados de Ni, Cr, Cu, V, para melhorar a resistência mecânica, ao desgaste, soldabilidade e a usinabilidade.

44 Aços resistentes ao desgaste Processamento dos aços manganês (são não-magnéticos): Fusão e solidificação ou laminação: precipitação de carbonetos levando a fragilização (Limite de resistência mecânica = kgf/mm 2 ; Estricção <1%; Tratamento térmico: Austenitização: 1000ºC para solubilização de carbonetos; Resfriamento em água, retenção da estrutura austenítica. Propriedades mecânicas após tratamento térmico: Alongamento=30-60% Limite de escoamento=30-42 kgf/mm 2 Limite de resistência mecânica= kgf/mm 2 Resistência ao choque=14-15 kg.m Dureza= HB *Após encruamento, em serviço, a dureza passa para 500 a 600 HB. **Problema: usinabilidade é complexa exigindo ferramentas de metal duro e técnicas específicas de usinagem.

45 Aços resistentes ao desgaste Outros aços resistentes ao desgaste: Aços carbono-cromo com 0,95 a 1,10%C e 1,30 a 1,60%Cr: Utilizados para mancais de esferas ou de roletes (SAE 52100, 51100, 50100); SAE (0,40-0,60%Cr), para esferas de até 12,7 mm de diâmetro; SAE (0,90-1,15%Cr), para esferas de até 25,4 mm de diâmetro.

46 Aços ultra-resistentes Aços ultra-resistentes são aços que foram desenvolvidos, inicialmente, para componentes de aviões com limite de resistência à tração de 210 kgf/mm 2 e, posteriormente, para veículos espaciais, mísseis, foguetes, etc. em que os aços podem atingir limites de resistência à tração de 300 kgf/mm 2. No desenvolvimento destes aços procurou-se garantir também uma ductibilidade conveniente. Neste sentido, as primeiras aproximações no sentido de se aumentar a resistência mecânica dos aços carbono foram: Aumento da proporção de perlita mediante aumento do teor de carbono; Aumento da resistência mecânica da ferrita mediante endurecimento por solução sólida, com adições de Mn, Mo e Cu. Um aumento ulterior da resistência mecânica pode ser obtido mediante: Refino de grão da ferrita com adições de Al ou Nb, 70 kgf/mm 2, limite máximo de resistência mecânica dos aços comuns ao carbono ferríticos laminados a quente; Tratamento térmico adequado de aços de baixa liga resultando em valores de resistência à tração de 140 kgf/mm 2 os quais apresentam ainda boas soldabilidade e ductibilidade e resistência à corrosão.

47 Aços ultra-resistentes Entretanto, nesta faixa de resistência mecânica este aços (anteriores) foram ultrapassados por algumas ligas de Al e Ti em aplicações estruturais da industria de aviões a jato. Visando alcançar resistência mecânica ainda maiores, já que a resistência à tração teórica do ferro é da ordem de 175 kgf/mm 2, originaram-se os aços ultra-resistentes modernos. Elevando-se o teor de carbono para 0,30-0,40% e diminuindo-se a temperatura de revenido para ºC consegue-se atingir limites de resistência à tração (σ max ) de 200 kgf/mm 2. Categorias de aços ultra-resistentes: SAE 4330 (0,30%C; 0,50%Mn; 0,30%Si; 0,8%Cr; 1,80%Ni 0,20%Mo) no estado temperado e revenido: σ max = kgf/mm 2 ; SAE 4340 (0,40%C; 0,85%Mn; 0,20%Si; 0,75%Cr; 1,80%Ni; 0,25% Mo) temperado e revenido adequadamente ( ºC): σ max = kgf/mm 2.

48 Aços ultra-resistentes O passo seguinte na produção de aços ultra-resistentes foi o tratamento de ausforming deformação plástica da austenita na faixa de temperaturas de transformação da bainita (tipicamente entre 450 e 550 C) nos aços ligas comuns ou à temperatura ambiente para os aços austeníticos: σ max =245 kgf/mm 2 com 6% de alongamento. Por último mas não finalmente, foram desenvolvidos os aços maraging (mar: martensite; ag: age; ing: hardening) os quais podem atingir valores de σ max =280 a 300 kgf/mm 2 ; estricção de 60% e resistência ao choque de 3,6 kg.m. Processamento: Austenitização a C, para solubilização; Resfriamento rápido em água para obtenção de solução sólida de Ni e outros elementos de liga no Ferro alfa (martensita de Ni); Reaquecimento ( ºC) para precipitação (envelhecimento) de fases intermetálicas a base de Ni, Mo, Ti, e Fe (Ni 3 Mo e Ni 3 Ti) com aumento de resistência mecânica.

49 Aços ultra-resistentes Composição química típica e propriedades mecânicas de aços maraging : C: 0,03% max.; Mn, Si: 0,10% max.; P, S: 0,01% max.; Ni: 17-26%; Ti: 0,5-1,6%; Al: 0,05-1,0%; Co: 8,0-11,0%; Nb: 0,30-0,50%. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

50 Aços grafíticos Aços grafíticos são aços que possuem elevados teores de C e Si resultando microestrutura contendo carbono livre sob a forma de grafita tornando o aço endurecível, usinável e resistente ao desgaste. Devido a sua excelente usinabilidade e estabilidade dimensional, são utilizados em matrizes de conformação a frio e dispositivos mecânicos (buchas, matrizes e punções de corte, calibres, facas de corte, etc.) diversos. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

51 Aços criogênicos Aços criogênicos são aços resistentes a baixas temperaturas. Aços ao carbono de baixo carbono apresentam comportamento satisfatório à temperaturas de até - 50 C. No entanto, em situações onde as temperaturas podem atingir os -196 C (para o nitrogênio líquido) ou -250 C (para o hidrogênio líquido) é importante considerar o fenômeno de transição, isto é, a passagem da fratura frágil para a fratura dúctil. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005

52 Aços criogênicos Aços carbono ferríticos ou ferríticos-perlíticos podem apresentar fraturas dúcteis ou frágeis já que a deformação, dependendo da temperatura do material, pode ocorrer por movimento de discordâncias (grande deformação e plasticidade) ou por clivagem (com menor plasticidade). Na prática, procura-se manter o teor de carbono baixo e aumentar o teor de Ni ou de Mn. A medida que se aumenta o teor de Ni (aços austeníticos), mantendo-se baixo o carbono, os materiais podem ser empregados a temperaturas cada vez mais baixas. Uma microestrutura refinada melhora ulteriormente a tenacidade a fratura. C Fonte: SMITH, W.F.,1993. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

53 Aços criogênicos Aços e propriedades típicas para utilização em baixas temperaturas. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

54 Aços criogênicos Aços e propriedades típicas para utilização em baixas temperaturas. Fonte: CHIAVERINI, V., *Os aços austeníticos não apresentam uma transição dúctil-frágil nítida. Ocorre uma diminuição gradativa da resistência ao choque com a diminuição da temperatura já que a austenita é muito plástica.

55 Ferros fundidos Ferros fundidos (fofos.), do ponto de vista do diagrama de equilíbrio Fe-C, são ligas Fe-C com teores de carbono acima de 2%. Na realidade, são ligas fundidas (ferro-carbono-silício), com teores de carbono geralmente entre 2 e 4% e teores de silício entre 1 e 3% tal que, após solidificação, a microestrutura pode conter, além dos microconstituintes observados nos aços, carbono parcialmente livre, sob a forma, fundamentalmente, de veios/lamelas de grafita. Os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a industria, em função de suas características intrínsecas e também pela possibilidade de se adicionar elementos de liga tornando-os tratáveis termicamente originando categorias de materiais com emprego em aplicações que eram exclusivas dos aços. O seu uso, em uma série de aplicações, é resultado do seu, relativamente, baixo custo de fabricação e de sua versatilidade em termos de propriedades de engenharia.

56 Ferros fundidos Diagrama de equilíbrio Fe-C Fofo eutético Fofo hipoeutético Fonte: CHIAVERINI, V., Fofo hipereutético

57 Ferros fundidos Diagramas (seções) de equilíbrio metaestável Fe-C-Si Fe 3 C 3Fe + C (grafita) C t = Cc + Cg C.E. = %C + 1/3 %Si Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

58 Ferros fundidos Fatores que influem na microestrutura dos ferros fundidos: Composição química: C: determina a quantidade de grafita que pode ser formada; Si: elemento grafitizante, favorece a decomposição da cementita em grafita, dependendo do seu teor pode transformar o ferro fundido em cinzento ou branco; Mn: efeito oposto ao do Si, tende a estabilizar a cementita contrabalançando o efeito do Si sendo também um elemento dessulfurante. O Cr tem efeito semelhante; P: Estabiliza a cementita, sua principal ação é formar a steadita (Fe 3 C+Fe 3 P, P.F.=982 C); S: em teores normais não tem ação significativa. Velocidade de resfriamento: Esta relacionada c/ a espessura das peças que solidificam em moldes. Pequenas seções significam velocidades de resfriamento mais elevadas que seções espessas. O aumento da velocidade de resfriamento em seções finas e em moldes metálicos, originam as seções coquilhadas onde não ocorre decomposição da cementita em grafita resultando na formação de ferro fundido branco. A composição e a velocidade de resfriamento são os fatores mais importantes na definição da microestrutura dos fofos. A tendência a grafitização pode ser verificada através do ensaio da cunha de coquilhamento.

59 Ferros fundidos Cunha de coquilhamento: Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

60 Ferros fundidos Outros fatores que podem influir na grafitização dos fofos.: Inoculação: Adição (0,05-0,25%) de ferro ligas (no metal líquido antes do vazamento), ex. Fe- Si (50-85%Si), Fe-Ca-Si, Fe-Ca-Si-Ti, com o objetivo de criar núcleos de grafita possibilitando a obtenção de estruturas mais finas e uniformes para a obtenção de fofos. Com melhores propriedades mecânicas. Superaquecimento: Elevar a temperatura ( C) do banho para provocar a grafitização, no resfriamento, a temperaturas mais baixas, favorecendo a formação de veios menores e mais finos. Temperatura normal de fusão=1460 C. Temperaturas elevadas destroem núcleos de grafita retardando sua formação.

61 Ferros fundidos Classificação dos ferros fundidos: Ferro fundido cinzento (FC); Ferro fundido branco (FB); Ferro fundido maleável (FM); Ferro fundido nodular ou esferoidal (FE).

62 Ferros fundidos Tabela: Composição química dos ferros fundidos: Elemento FC (%) FB (%) FM (%) FE (%) C 2,20-4,00 1,80-3,60 2,00-2,60 3,00-4,00 Si 1,00-3,00 0,50-1,90 1,10-1,60 1,80-2,80 Mn 0,25-1,00 0,25-0,80 0,20-1,00 0,10-1,00 S 0,02-0,25 0,06-0,20 0,04-0,18 0,03 max. P 0,05-1,00 0,06-0,18 0,18 max.. 0,10 max. FC: Ferro fundido cinzento ou lamelar; FB: Ferro fundido branco; FM: Ferro fundido maleável; FE: Ferro fundido nodular ou esferoidal.

63 Ferros fundidos Ferros Fundidos Cinzentos (FC): Clasificação grafita lamelar (ASTM): Fofo cinzento perlítico Fofo cinzento perlítico evidenciando steadita (P>0,15%) Grafita Steadita Dentre os ferros fundidos é o mais usado devido a sua fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento. Superfície de fratura de coloração cinza escuro. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

64 Ferros fundidos Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos (FC) Propriedades mecânicas (complemento): Módulo de elasticidade a 0,25 σ max, ( kgf/mm 2 ); Dureza: 100 a 600 HB (brancos), HB= σ max /1,82; Resistência à compressão é 3-4,5 vezes a resistência à tração ( kgf/mm 2 ); Limite de fadiga (6-17,5 kgf/mm 2 ); Resistência ao choque: normalmente frágeis mas os ligados e adequadamente tratados termicamente podem atingir valores de 7-14 kg.m; Capacidade de amortecimento de vibrações e usinabilidade. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

65 Ferros fundidos Ferros Fundidos Cinzentos, usinabilidade e capacidade de amortecimento: Fonte: SMITH, W.F.,1993. Fonte: CHIAVERINI, V., Aplicações: anéis de pistão, carcaças de máquinas, bases de máquinas pesadas, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, tambores de freio, placas de embreagem, carters, virabrequins, grandes blocos de motor, buchas, etc.

66 Ferros fundidos Ferros Fundidos Brancos (FB): Ferros fundidos brancos são fofos. em que o carbono se apresenta, praticamente todo, na forma combinada (cementita). Superfície de fratura de coloração clara. Fofos. brancos não ligados apresentam, normalmente, matriz perlítica (fina). Adicionando-se elementos de liga como Cr, Ni, Mo, e V a matriz pode se tornar martensítica ou bainítica ou austenítica. O fofos. brancos apresentam elevada dureza e resistência ao desgaste o que os torna difíceis de usinar. Na sua produção combina-se os teores de carbono e silício e a velocidade de resfriamento a qual é atingida por meio de coquilhas (moldes metálicos). As peças coquilhadas são submetidas a tratamento térmico ( C/7-20h seguido de resfriamento lento) para alívio de tensões e para uniformizar a estrutura dendrítica.

67 Ferros fundidos Ferros Fundidos Brancos (FB): Esquema da seção de fratura de fofo coquilhado evidenciando a microestrutura e os teores de carbono combinado e livre em função da espessura. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

68 Ferros fundidos Ferros Fundidos Brancos (FB): Efeito do carbono total na dureza de fofo coquilhado. Efeito do teor de Si na profundidade de coquilhamento. Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

69 Ferros fundidos Principais aplicações de ferros fundidos brancos: Revestimentos de moinhos ( HB ou HB/ligados com Cr e Ni); Bolas de moinhos de bolas ( HB ou HB/ligados com Cr e Ni); Rodas de ferro coquilhado para vagões; Cilindros de laminação para borracha, vidro, plástico e metais; Peças pesadas para britamento de minérios; Matrizes e guias; Peças pra equipamentos de moagem de cimento.

70 Ferros fundidos Ferros Fundidos Maleáveis (FM): Ferros fundidos maleáveis são importantes materiais de engenharia já que apresentam uma série de desejáveis propriedades tais como facilidade de fusão, usinabilidade, tenacidade e ductilidade, resistência à corrosão para certas aplicações e resistência mecânica adequada. A estrutura dos ferros fundidos maleáveis é obtida por meio de tratamento térmico dos fundidos que têm estrutura de ferros fundidos brancos (cementita). Assim, os fundidos em ferro fundido branco (sem nenhuma ou pouca ductilidade) são convertidos em ferros fundidos maleáveis (ferríticos ou perlíticos) por meio de um tratamento térmico apropriado de recozimento ou tratamento térmico de maleabilização ( C/15-72h). Processos de maleabilização: Maleabilização por descarbonetação; Maleabilização por grafitização.

71 Ferros fundidos Maleabilização por descarbonetação: Este tratamento térmico origina o maleável tipo europeu, maleável de núcleo branco ou maleável branco. Estrutura constituída essencialmente de ferrita até 5-6 mm de espessura (fratura de coloração clara). O processo consiste em aquecer (em T adequada) peças de fofo branco em caixas fechadas contendo minério de ferro para evitar oxidação das peças tal que o carbono das peças é eliminado (descarbonetação) sob a forma de gás. A: Descarbonetação intensa e grafitização se houver cementita livre; B: Grafitização continua e a cementita originada da austenita se decompõe em grafita; C: Forma-se perlita se ainda houver carbono combinado. Processo de descarbonetação: Maleável branco ferrítico Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2 C + CO 2 2CO Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

72 Ferros fundidos Maleável preto ferrítico Maleabilização por grafitização: Este tratamento térmico origina o maleável tipo americano, maleável de núcleo preto ou maleável preto. (fratura de coloração escura já que a estrutura é constituída de grafita em matriz ferrítica). O processo consiste em aquecer as peças (em T adequada) de fofo branco em atmosfera neutra em caixas de ferro fundido envoltas em areia, cinzas ou outro material inerte. Este ciclo é mais curto que o europeu porque, por precipitação de carbono, a distância de migração é menor. A: Grafitização da cementita livre; B: Grafitização da cementita originada da austenita; C: Grafitização da cementita da perlita. Processo de grafitização: Fe 3 C + 3Fe C (grafita) Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

73 Ferros fundidos Propriedades mecânicas de ferros fundidos maleáveis: Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

74 Ferros fundidos Usinabilidade de diversas ligas ferrosas: Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

75 Ferros fundidos Principais aplicações dos ferros fundidos maleáveis (FM): Campo de aplicação: Industrias mecânicas e de materiais de construção; Industrias de veículos, tratores; Industria de materiais elétricos. Aplicações típicas: Conexões para tubulações hidráulicas; Conexões pra linhas de transmissão elétrica; Correntes; Suportes de molas; Caixas de direção; Cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de embreagem e freio; Bielas, caixas de engrenagem, etc.

76 Ferros fundidos Ferros fundidos nodulares (FE): O ferro fundido nodular, esferoidal ou dúctil consiste de esferóides de grafita dispersos em uma matriz de ferrita, perlita ou ambos. Durante a sua solidificação o carbono se decompõe sob a forma de grafita esferoidal em contraste com a grafita lamelar normalmente formada nos ferros fundidos cinzentos. Por esta razão estes ferros fundidos possuem uma combinação de propriedades tais como baixa temperatura de fusão e boas fluidez e preenchimento dos moldes, excelentes usinabilidade e boa resistência ao desgaste. Além disso, estes materiais apresentam elevadas resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade. Apresentam, em particular, elevada tensão de escoamento, superior as demais classes de ferros fundidos e aços ao carbono.

77 Ferros fundidos Processamento: Transferência do metal líquido para uma panela de nodularização contendo no fundo briquetes ou cavacos de magnésio ou sob a forma de pré-ligas (ex: 5Mg.45Si.50Fe; 12Mg.40Si.18Cu.30Fe). Ferros Fundidos Nodulares:0,1% massa de Mg Perlita Grafita nodular Ferrita 1 min após o vazamento 1 0 min após o vazamento 24 min após o vazamento

78 Ferros fundidos Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares: Fonte: CHIAVERINI, V., 2005.

79 Ferros fundidos Principais aplicações dos ferros fundidos nodulares (FE): Aplicações típicas: Compressores, lingoteiras; Encanamentos e acessórios; Bielas e peças em geral que exijam maior resistência ao choque; Equipamento agrícola e ferroviário; Máquinas operatrizes; Engrenagens; Mancais e matrizes; Virabrequins, tambores de freio, polias; Etc.