Ligas Metálicas de Engenharia

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1 1 Ligas Metálicas de Engenharia Omar Maluf MSc, Eng. De Materiais SMM-EESC-USP

2 2 INTRODUÇÃO Porque os metais e suas ligas são importantes? São materiais resistentes São capazes de sofrer deformação sem fraturar São abundantes na natureza São relativamente fáceis e baratos de serem produzidos Podem ser conformados em diversas formas pelos mais variados processos de fabricação

3 3 Natureza íntima dos materiais Estrutura cristalina Composição química Defeitos e impurezas Efeitos de tratamentos térmicos Seleção dos materiais Prevenção e análise de falhas PROPRIEDADES ESTRUTURA APLICAÇÕES

4 4 ESTRUTURA CRISTALINA DOS METAIS: Células unitárias: arranjos atômicos que se repetem periodicamente no espaço 14 tipos de células ao todo Metais: Cúbica de corpo centrado (CCC) Cúbica de faces centradas (CFC) Hexagonal compacta (HC)

5 5 ESTRUTURA CÚBICA DE CORPO CENTRADO: Exemplos: Fe (α), Mo, Cr, à temperatura ambiente.

6 6 ESTRUTURA CÚBICA DE FACES CENTRADAS: Exemplos: Fe (γ), Al, Cu, Au e Ag à temperatura ambiente.

7 7 ESTRUTURA HEXAGONAL COMPACTA: Exemplos: Zn, Cd, Ti, Mg à temperatura ambiente. Esta representação possui mais átomos do que o necessário para representar a célula unitária verdadeira

8 8 IMPERFEIÇÕES CRISTALINAS: Defeitos Resistência teórica>>>>real Afetam as propriedades dos metais Sem eles a engenharia atual não seria a mesma Principais tipos: Pontuais Lineares Planares

9 9 DEFEITOS PONTUAIS: Vacâncias (altas T, irradiação, solidificação) Átomos substitucionais (átomos parecidos) Átomos intersticiais (átomos pequenos) Soluções sólidas

10 10 DEFEITOS LINEARES: Discordâncias Responsáveis pela deformação plástica e pelos mecanismos de endurecimento Dois tipos: cunha e hélice

11 11

12 12 DEFEITOS PLANARES: Principal deles é o contorno de grão Região de alta energia Revelados por ataque químico controlado

13 13 MECANISMOS DE ENDURECIMENTO: Discordâncias : São fundamentais para deformação plástica Diminuem a energia para a deformação Sem elas, metais seriam frágeis e quebradiços Esquemático discordância em cunha

14 14 Capacidade de deformação plástica Tipo de ligação química Distribuição de cargas na rede cristalina BOLHAS

15 15 ENDURECIMENTO DEVIDO AO CONTORNO DE GRÃO: Barreira ao deslizamento Refino de grão aumenta resistência mecânica Relação de Hall-Petch σ e = σ o + k D

16 16 ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO: Material deformado : a discordâncias/cm 2 Material recozido : 10 6 a 10 8 discordâncias/cm 2 Fonte Frank-Read Interação entre discordâncias e com outros obstáculos restringem o movimento Deslizamento cruzado

17 17 ENDURECIMENTO POR SOLUÇÃO SÓLIDA: Átomos intersticiais e substitucionais Campo de tensões Aumenta resistência mecânica Diminui dutilidade Diminui condutividade elétrica Diminui o ponto de fusão

18 18 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO: Partículas de segunda fase finamente dispersas na matriz Ligas de Al, Mg e alguns tipos de aços Partículas dificultam a progressão da discordância Discordância corta ou contorna a partícula Animação corte e empilhamento

19 19 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO: Início da precipitação: Precipitado coerente Forte distorção da rede

20 20 LIGAS FERROSAS: 90% produção mundial de metais Minério abundante Baixo preço Facilidade de produção Alta resistência mecânica Boa tenacidade e dutilidade Aços carbono, ligados, inoxidáveis, ferramentas, ferros fundidos

21 21 DIAGRAMA Fe-Fe 3 C Ferrita δ (max 0,1%C) δ 1535 o C δ+líquido Líquido 1493 o C, 0,51% 0,1% γ +Líquido δ+γ 0,18% γ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 %C Austenita γ (max 2,06%C) 1400 Liquidus Líquido Liquidus Ferrita α (max 0,02%C) Cementita Fe 3 C (6,67%C) Temperatura (oc) γ Austenita A cm γ+líquido 1147 o C Solidus 2,0% 4,3% Líquido + Fe3C 910 o C γ+fe 3 C (Cementita) α Ferrita 800 A 3 α+γ 723 o C A ,02% 0,80% α+fe 3 C Teor de carbono (% em peso)

22 22 PONTOS INVARIANTES DO DIAGRAMA Fe-Fe 3 C: Ponto peritético S1 + L S2 Ponto eutético L S1 + S2 δ ( s) + o 1493 C L γ ( s) o 1147 C L γ ( s) + Fe3C( s) Ponto eutetóide S1 S2 + S3 o 723 C γ ( s) α( s) + Fe3C( s)

23 23 TRANSFORMAÇÕES DE FASE NO DIAGRAMA Fe-Fe 3 C (AÇOS): T ( o C) γ X 1 Z A cm γ + Fe 3 C A 3 Y 1 Z α+γ X 2 X 3 Y 2 Z 3 A o C α 0,02% 600 α+fe 3 C ,5 1 1,5 2 Teor de carbono (% em peso)

24 Formação da perlita Ligas metálicas de engenharia 24 Aço eutetóide 0,8%C SAE-AISI 1080

25 25 Aço hipoeutetóide 0,4%C SAE-AISI 1040

26 26 Aço hipereutetóide 1,2%C SAE-AISI 1095

27 27 TRANSFORMAÇÕES DE FASE NO DIAGRAMA Fe-Fe 3 C (FoFos): T(oC) 1600 Líquido Liquidus 1400 Liquidus Z 1 Líquido + Fe 3 C 1200 X 1 X 2 Y 1 Z oC Solidus 4,3% γ +Líquido 1000 γ +Fe 3 C o C X 3 Y 2 Z 3 A ,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Teor de carbono (% em peso)

28 28 Ferro fundido eutético (4,3%C) Ledeburita

29 29 Ferro fundido hipoeutético (3,6%C) Dendritas de perlita cercadas de ledeburita

30 30 Ferro fundido hipereutético (5,0%C) Cristais de cementita em uma matriz de ledeburita

31 31 IMPORTANTE!!!! Os ferros fundidos apresentados são chamados de brancos pois todo o carbono se encontra na forma metaestável de cementita. São muito duros e frágeis. Adições de Si decompõem a cementita: Fe 3C Fe( α) + C( grafita) Ferros fundidos grafíticos

32 32 EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS METAIS FERROSOS: Elementos de liga: Adicionados intencionalmente Introduzidos durante a fabricação Aumento de resistência mecânica éo objetivo primordial: Aumento da resistência ao escorregamento de discordâncias Precipitação de partículas de segunda fase Formação de solução sólida Refino de grãos Dessulfuração e globulização de sulfetos Desoxidação Estabilização de carbonetos Aumento da temperabilidade Desgaseificação

33 33 TRATAMENTOS TÉRMICOS DE LIGAS FERROSAS: Aquecimentos (fornos) e resfriamentos controlados (água, ar, salmoura, sais fundidos, óleo) Modificações microstruturais Densidade de discordâncias Resfriamento contínuo Tratamentos isotérmicos Têmpera Martêmpera Revenimento Austêmpera Normalização Recozimento Esferoidização Alívio de tensões Homogeneização

34 34 Faixas de temperaturas resfriamento contínuo

35 35 TÊMPERA Produção de martensita Sinônimo de resfriamento rápido Estrutura TCC c a = 1+ 0,0467(% C) Sem difusão de carbono

36 36 Aço CA40 (versão fundida do SAE-AISI 420) temperado

37 37 Ensaio Jominy - Temperabilidade Jominy

38 38 REVENIMENTO Martensita >>>>> dura e frágil Aquecimento por um certo período abaixo da linha de transformação austenítica (723 o C) Aumento de dutilidade Alívio de tensões Rearranjo e aniquilação de discordâncias Difusão de carbono >> Precipitados >> reduz distorção da rede

39 39 RECOZIMENTO Aquecimento seguido de resfriamento lento no forno Diminuir a resistência mecânica e a dureza Aumentar a dutilidade, facilitando operações que envolvam deformação a frio e/ou processos de usinagem Aços: T alta (dentro da faixa limite) austenita + homogênea Perlita mais fina Aços hipereutetóides: aquecimento acima de A1 para evitar rede de carbonetos ao longo dos contornos de grão

40 40 RECOZIMENTO SUB-CRÍTICO Empregado em componentes trabalhados a frio 3 etapas: Recuperação: redistribuição de defeitos >>> alívio de tensões Recristalização: redução de discordâncias e nucleação de grãos Crescimento de grão

41 41 Cobre trabalhado a frio Cobre recozido

42 42 NORMALIZAÇÃO Aquecimento no campo γ seguido de resfriamento ao ar Grãos mais refinados de austenita Perlita mais fina Carbonetos esferoidizados mais bem distribuídos Aço Mais tenaz e dútil do que o temperado/revenido Mais resistente do que o recozido

43 43 HOMOGENEIZAÇÃO Aplicado antes de trabalhos termomecânicos Homogeneizar composição ESFEROIDIZAÇÃO Recozimento abaixo de A1 >>> carbonetos esferoidizados Dissolver carbonetos ALÍVIO DE TENSÕES Reduzir nível de tensões residuais Rearranjo de defeitos >>> redução de distorção elástica Similar à etapa de recuperação

44 44 TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS 800 Temperatura ( o C) o C Austenita 1 Austenita Austêmpera Martêmpera 50% 50% 3 2 Perlita grossa Perlita fina Perlita + Bainita Bainita Diagrama TTT Aço eutetóide Não ligado 200 M s M M 90 Martensita Martensita Martensita + Bainita Perlita 0, Tempo (s)

45 45 TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Aumentar resistência mecânica da superfície Difusão de elementos endurecedores Solução sólida e/ou precipitados Tensões residuais compressivas Profundidade de endurecimento depende de: material base, meio, tempo e temperatura Cementação, nitretação e carbonitretação

46 46 CEMENTAÇÃO Introdução de carbono Aços baixo-carbono aquecidos no campo austenítico >>> têmpera SAE-AISI 1015 cementado

47 47 Meios de cementação: Gasoso: CH 4 e C 3 H 8 Líquido: sais de cianeto Sólido: carvão o 850 C 950 C CH4( g) + 3Fe( s) Fe3C( s) + 2H 2( g) o 850 C 950 C 2CO( g) + 3Fe( s) Fe3C( s) + CO2 o o ( g)

48 CA40 nitretado Ligas metálicas de engenharia 48 NITRETAÇÃO: Introdução de nitrogênio Entre 500 o C e 600 o C, campo ferrítico >> sem tratamento térmico Menor distorção e empenamento Meios gasosos ou líquidos

49 49 Nitretação a plasma em operação Diferença de potencial sobre o gás >> ionização >> plasma Luz violácea >>> choque dos íons de nitrogênio arrancam átomos de Fe formando nitretos que volta para a peça

50 50 CARBONITRETAÇÃO OU CIANETAÇÃO Introdução de carbono e nitrogênio Meio líquido : sais de cianeto Meio gasoso: amônia + hidrocarboneto Entre 700 o C e 900 o C

51 51 CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS FERROSAS

52 52 SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO SAE-AISI SAE-AISI 1020 SAE-AISI 4340 AÇOS AO CARBONO COMUNS baixo carbono (<0,2%C) médio carbono (0,2%<%C<0,5%) alto carbono (>0,5%C) Adição de Mn (Desoxidante) Impurezas: Si, S, P

53 53 AÇOS DE BAIXA LIGA: Pequenas adições de elementos de liga (<5%) Aumento de resistência mecânica e temperabilidade Aumento de resistência à corrosão Adição de Nb, Ti e V >>> carbonetos >>>> ARBL AÇOS INOXIDÁVEIS: Altas adições de elementos de liga (Cr>11%) Alta resistência à corrosão e à oxidação a temperaturas ambiente e elevada Austeníticos, ferríticos, martensíticos, duplex e endurecíveis por precipitação

54 54 Diagrama de Schaeffler

55 55 AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS: Cr> 16%, Ni até 35% e Mn até 15% Mo, Ti, Nb, Co, Cu, Al, Si >>> resistência à oxidação À temperatura ambiente, não são magnéticos Não são endurecíveis por tratamentos térmicos de têmpera, somente por deformação mecânica Boas propriedades criogênicas >>> não apresentam temperatura de transição dútil-frágil Sensitização

56 56 SAE-AISI 304 SENSITIZAÇÃO

57 57 AÇOS INOXIDÁVEIS FERRÍTICOS: Cr 11% a 27%, sem adições significativas de Ni (<1,0%) e Mn (<1,5%) Boa conformabilidade São magnéticos à temperatura ambiente A estrutura ferrítica dificulta o endurecimento por deformação a frio e torna inócuo o tratamento térmico de têmpera Transição dútil- frágil

58 58 SAE-AISI 430

59 59 AÇOS INOXIDÁVEIS MARTENSÍTICOS: Cr entre 11,5% e 18,0% e C(max) 1,2% Carbono alto >>> compensar a perda de C intersiticial pela formação de carbonetos Forjamento, seguido de austenitização, têmpera e revenimento Alta resistência mecânica e boa resistência à corrosão Si, W, V, Nb são por vezes adicionados para retardar os efeitos de amolecimento no revenimento.

60 60 SAE-AISI 420

61 61 AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX: Ferrita + austenita Cr entre 17% a 30%, Ni de 3% a 13%, para assegurar a estabilidade da fase ferrítica. Possuem maior resistência mecânica do que os austeníticos e melhores níveis de tenacidade à fratura e dutilidade do que os ferríticos. SAE-AISI 329

62 62 AÇOS INOXIDÁVEIS ENDURECÍVEIS POR PRECIPITAÇÃO: Precipitação de compostos intermetálicos, Ni 3 Al Matriz austenítica ou martensítica. Estrutura austenítica >>> estável ou metaestável A instabilidade da fase austenítica permite que a microestrutura seja convertida em martensita através de deformação mecânica a frio ou durante o resfriamento da peça.

63 63 AÇOS FERRAMENTAS: Usinagem, corte, conformação Altas adições de elementos de liga Extremamente duros Alta resistência mecânica a altas T Produzidos por fundição de precisão ou metalurgia do pó

64 64 FERROS FUNDIDOS: Adição de silício: Fe C α + C( ) 3 grafita FoFo cinzento perlítico

65 65 Carbono equivalente: Adição de magnésio: % Si + C eq = % C + 3 % P FoFo nodular

66 66 FoFo vermicular

67 67 Tratamento térmico de FoFo branco FoFo maleável

68 68 LIGAS NÃO FERROSAS: Situações que exigem: Alta resistência mecânica e baixo peso Alta resistência à corrosão Boa condutividade elétrica e térmica Alumínio, cobre, titânio, níquel, etc

69 69 LIGAS DE ALUMÍNIO: Vantagens Baixa densidade Alta resistência mecânica específica Resistentes à corrosão e oxidação Boa condutividade térmica e elétrica Capacidade de endurecimento por TT Desvantagens Baixo ponto de fusão Baixa dureza Alto consumo de energia para produção Aplicações Naval, aeronáutico, automobilístico, embalagens, construção civil, eletrotécnico, etc

70 70 SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO ALUMINIUM ASSOCIATION: Ligas trabalhadas Quatro dígitos: YXXX Primeiro: principais elementos de liga Ligas fundidas: Possuem uma vírgula entre os dois últimos dígitos Três últimos: composição química Tratamentos: como fabricado (F) recozido (O) trabalhado a frio (H) solubilizado (W) endurecido por envelhecimento (T) Números identificam detalhes do tratamento

71 71

72 72 ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO: Aumenta a resistência ao deslizamento de discordâncias Como o precipitado se forma? solubilização têmpera (resfriamento rápido) precipitação

73 73

74 74 PROPRIEDADES DE CORROSÃO DE LIGAS DE ALUMÍNIO: Al 2 O 3 : filme de óxido protetor Elementos de liga >>>>> prejudiciais às propriedades de corrosão Filme óxido mais fino e mais condutor Pares galvânicos

75 75 LIGAS DE COBRE: Estrutura CFC Boa condutividade térmica e elétrica Boa conformabilidade Boa resistência à corrosão Boas propriedades de brasagem e união Elementos de liga Solução sólida Precipitação

76 76 LIGAS DE COBRE ENDURECIDAS POR SOLUÇÃO SÓLIDA: Latão Zn é o principal elemento de liga >>> máximo 37% em solução Fase α Acima de 37% ZN Fase β CCC, dura e frágil

77 77 Latão 70-30

78 78 BRONZES Adições de Ni, Al, Sn, Si >>>> solução sólida CuNiAl >>>> usado na industria naval propulsores de submarinos Bronzes ao alumínio são difíceis de serem fundidos Ligas endurecíveis por precipitação Adições de Be, Zr e Cr >>>> bronzes endurecíveis por precipitação Estas ligas também são trabalhadas mecanicamente, resultando em alta dureza. Indústria bélica e de combustíveis gasosos.

79 79 LIGAS DE TITÂNIO: 4 o metal mais abundante Altamente reativo Difícil extração e fundição Alta resistência mecânica específica Baixa densidade Em ligas, apresentam boa resistência à corrosão e à oxidação Aplicações: indústria aeroespacial e próteses

80 80 Sn, Al, N e C >>> fase α (sol. sólida) fase clara V e Mo >>>> fase β (precipitação) fase escura Ti-6Al-4V

81 81 LIGAS DE NÍQUEL: Excelente resistência à oxidação e corrosão a altas temperaturas Boa conformabilidade e tenacidade Alta densidade Alto custo Linha Monel 40% de Cu >> max resistência Al e Ti >> precipitação Linha Hastelloy A, B, D Mo, Fe ambientes ácidos e oxidantes Ligas Ni-Cr Inconel e Hastelloy C Alta resistência à oxidação a altas temperaturas Super ligas Fe, Ti, Co, Ta, Nb, W, Zr, C, Al Formação de carbonetos e intermetálicos Resistência à fluência

82 Partículas Whiskers Fibras contínuas Ligas metálicas de engenharia 82 COMPÓSITOS: Substância 1 + Substância 2 Compósito MELHOR DE DOIS MUNDOS Compósitos metálicos : alta resistência mecânica sem perda de dutilidade e tenacidade Principais tipos de reforços: Al 2 O 3, SiC, SiO 2, B ou C

83 83 Transferência do carregamento para o reforço Fração volumétrica de reforço (%) Módulo de elasticidade (GPa) Limite de escoamento (MPa) Limite de resistência à tração (MPa) Alongamento total (%) Redução de área (%)

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