UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO FACULDADE DE TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO MECÂNICA MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA IV Siderurgia e Tratamento Térmico dos Aços Prof. Jaques Jonas Santos Silva Resende, março de 2009.

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS SIDERURGIA MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA MINÉRIO DE FERRO CARVÃO FUNDENTE OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS PRODUÇÃO DO FERRO GUSA ALTO FORNO REAÇÕES DO ALTO FORNO PRODUTOS E SUBPRODUTOS DO ALTO FORNO EQUIPAMENTOS AUXILIARES DO ALTO FORNO PRODUÇÃO DO AÇO PROCESSOS PNEUMÁTICOS CONVERSOR BESSEMER CONVERSOR THOMAS CONVERSOR DE SOPRO LATERAL CONVERSOR DE SOPRO PELO TOPO SISTEMA FERRO-CARBONO FASES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C PONTOS INVARIANTES CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE Fe-C DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS DE Fe-C Ligas eutetóides Ligas hipoeutetóides Ligas hipereutetóides...38 Materiais de Construção Mecânica IV 2

3 7. TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRIMCAS DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO TEMPO TEMPERATURA (DIAGRAMAS TTT) PRINCIPAIS ESTRUTURAS FORMADAS NA SOLIDIFICAÇÃO DOS AÇOS (SISTEMAS EM NÃO EQUILÍBRIO) Perlita Bainita Martensita Cementita globulizada Martensita revenida TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS RECOZIMENTO Recozimento total (ou pleno) Recozimento isotérmico Recozimento para alívio de tensões NORMALIZAÇÃO TÊMPERA REVENIDO TÊMPERA SUPERFICIAL BIBLIOGRAFIA...60 Materiais de Construção Mecânica IV 3

4 1. INTRODUÇÃO Desde os primórdios da evolução o ser humano utiliza-se de diversos tipos de materiais para a fabricação de utensílios, equipamentos e máquinas. Em ordem crescente de complexidade, pode-se citar alguns exemplos de materiais utilizados pelo homem: Pedras, madeiras e fibras; Bronze, ferro e outros metais; Borrachas e polímeros; Compostos cerâmicos, novas ligas, materiais compósitos. A busca do material adequado para uma determinada aplicação pode trazer como resultado uma vasta lista de possibilidades. A escolha deve visar fatores tais como: Propriedades (mecânicas, físicas, químicas, etc); Custo; Vida útil; Facilidade de obtenção e manipulação. A ciência dos materiais busca a relação existente entre a estrutura dos materiais e suas propriedades. A estrutura de um material está relacionada ao arranjo interno de seus componentes, seja ao nível atômico, microscópico ou macroscópico. A estrutura de um material depende de seu processamento. Havendo alterações estruturais, haverão também modificações nas propriedades do material e, conseqüentemente, em sua performance (Figura 1). Processamento Estrutura Propriedades Performance Tratamento térmico do aço (têmpera) Formação da martensita Aumento da dureza Aumento da resistência ao desgaste Figura 1 Inter-relacionamento entre o processamento dos materiais e sua performance. Materiais de Construção Mecânica IV 4

5 1.1. PROPRIEDADES DOS MATERIAIS Quando em uso, os materiais estão sujeitos a estímulos externos, os quais causam algum tipo de resposta. As propriedades dos materiais referem-se à magnitude da resposta em relação a determinado estímulo (Quadro 1). Quadro 1 - Relação estímulo / resposta de algumas propriedades de materiais. Estímulo externo Resposta Tensões externas Deformação Aumento de temperatura Dilatação volumétrica Campo elétrico Resistividade elétrica Atmosfera ambiente Resistência à corrosão A escolha do material adequado à fabricação de um produto deve levar em conta suas propriedades, as quais podem ser divididas em 6 categorias: Propriedades mecânicas; Propriedades elétricas; Propriedades magnéticas; Propriedades ópticas; Propriedades térmicas; Propriedades deteriorativas. Dentre as principais propriedades dos materiais, podemos citar: a) Resistência mecânica: resistência a esforços (tração, compressão, cisalhamento, etc); b) Elasticidade: capacidade de deformar e retornar à forma original; c) Plasticidade: capacidade de se deformar e manter uma parcela da deformação; d) Ductilidade: medida do grau de deformação plástica do material até a ruptura; e) Tenacidade: capacidade de absorver energia até a ruptura. Área sob a curva Materiais de Construção Mecânica IV 5

6 σ x ε (tensão x deformação); f) Dureza: resistência à penetração, à deformação plástica e ao desgaste; g) Fragilidade: capacidade do material romper-se sem sofrer deformação plástica significativa; h) Ponto de fusão: temperatura na qual o material passa do estado sólido para o líquido. i) Ponto de ebulição: temperatura na qual o material passa do estado líquido para vapor ou gasoso; j) Dilatação térmica: variação dimensional devido à variação de temperatura; k) Condutividade térmica: capacidade de conduzir calor; l) Condutividade elétrica: capacidade de conduzir correntes elétricas; m) Resistividade: capacidade de resistir à passagem de correntes elétricas (o oposto da condutividade elétrica); n) Resistência à corrosão: capacidade do material de resistir à deterioração causada pelo meio ambiente; o) Densidade: quantidade de matéria por unidade de volume CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS Os materiais sólidos podem ser agrupados em três classificações básicas: a) Metais: normalmente os materiais metálicos são combinações de elementos metálicos, os quais possuem um grande número de elétrons não localizados, o que confere a estes materiais algumas características peculiares (bons condutores de calor e eletricidade, resistência mecânica, etc). b) Polímeros: incluem as borrachas e os materiais plásticos, muitos destes constituídos de compostos orgânicos à base de carbono, hidrogênio e elementos não-metálicos. Possuem estruturas moleculares muito grandes e são, em geral, pouco densos e muito flexíveis. c) Cerâmicas: são compostos de elementos metálicos e não-metálicos, geralmente óxidos, nitratos e carbetos. São tipicamente isolantes Materiais de Construção Mecânica IV 6

7 elétricos e térmicos, duros porém frágeis e mais resistentes a altas temperaturas e ambientes hostis do que os metais e os polímeros. mostrados abaixo: Alguns exemplos de materiais utilizados na construção mecânica são F o f o branco Metais Ferro Alumínio Cobre Chumbo Estanho Aço Ferro fundido (F o F o) F o f o cinzento F o f o maleável F o f o de grafita compactada F o f o dúctil ou nodular Zinco Níquel Magnésio Vinílicas Polímeros Plásticos Borrachas Resinas Poliamidas Poliuretanos Policarbonatos Poliésteres Acrílicas Celulósicas Fluorcarbonadas Silicones Materiais refratários Cerâmicas Cimentos Vidros Porcelana Materiais de Construção Mecânica IV 7

8 2. SIDERURGIA O termo siderurgia provém do grego siderourgia (sideros = ferro + ergon = trabalho), e pode ser definido como o conjunto de técnicas para a obtenção dos produtos ferrosos (ferro gusa, ferro fundido e aço) a partir da redução dos óxidos de ferro. As referências mais antigas sugerem que o ferro já era utilizado por volta de 2000 A.C. e que o homem já reduzia os óxidos de ferro entre 1350 A.C. e 1100 A.C. Desde os primórdios o minério de ferro era misturado ao carvão e submetido a altas temperaturas para a redução dos óxidos ao ferro metálico. A Figura 2 ilustra alguns tipo primitivos de fornos utilizados para a redução dos minérios. Figura 2 - Fornos primitivos utilizados na redução dos óxidos de ferro. Materiais de Construção Mecânica IV 8

9 Em fornos com temperaturas mais baixas, o ferro reduzido tinha forma de grânulos porosos (ferro esponja). Em temperaturas mais elevadas, os grânulos tornavam-se pastosos e aglomeravam-se formando uma massa a qual era martelada para a eliminação das impurezas e formação de uma porção de ferro sólido (ferro pudlado ). Se o ferro reduzido for mantido em contato com carbono a altas temperaturas na ausência de ar, há a difusão de carbono no metal, aumentado sua resistência mecânica devido à precipitação de carbetos. O produtos dos fornos tipo chaminé, os quais permitiam maiores temperaturas de operação, facilitando a difusão do carbono, continham entre 1% e 4% de carbono, apresentando propriedades mecânicas superiores ao do ferro puro. Materiais de Construção Mecânica IV 9

10 3. MATÉRIAS-PRIMAS DA INDÚSTRIA SIDERÚRGICA São as seguintes as principais matérias-primas da indústria siderúrgica: a) Minério de ferro: matéria-prima essencial, contém o ferro na forma de óxidos. b) Carvão: atua como elemento combustível, redutor do minério de ferro e fornecedor de carbono (principal elemento de ligas dos produtos siderúrgicos). c) Calcário: de natureza básica, age como fundente ao reagir com as impurezas do minério e do carvão (de natureza ácida), diminuindo o seu ponto de fusão e formando a escória utilização. Tanto o minério de ferro quanto o carvão devem ser beneficiados antes de sua 3.1. MINÉRIO DE FERRO Os principais minerais que contém o elemento Fe (ferro) são: óxidos; carbonatos; sulfetos; silicatos. Dentre estes, os óxidos são os mais importantes, sendo os principais: magnetita (óxido ferroso férrico) Fe 3 O 4 72,4% em peso de Fe; hematita (óxido férrico) Fe 2 O 3 69,9% em peso de Fe; limonita (óxido hidratado de ferro) 2Fe 2 O 3.3H 2 O 48,3% em peso de Fe. brasileiras. A hematita é o minério mais comum e compõe as principais reservas Para a sua utilização em altos-fornos, os minérios de ferro devem ser Materiais de Construção Mecânica IV 10

11 beneficiados de forma a adequar suas características físico-químicas (granulação, composição, etc), tornando a carga do alto-forno mais homogênea. As operações para o beneficiamento envolvem geralmente operações de: britamento; peneiramento; mistura; moagem; concentração; classificação; aglomeração. Os processos de aglomeração tem como objetivos: melhorar as propriedades mecânicas da carga; melhorar a permeabilidade da carga no alto-forno; reduzir o consumo de carvão; acelerar os processos de redução; reduzir a quantidade de finos (material finamente particulado) lançados pelo alto-forno no sistema de recuperação de gases. Entre os principais processos de aglomeração pode-se citar: sinterização; pelotização; briquetagem; nodulização. No processo de sinterização, uma mistura de finos de minério e carvão (eventualmente pode-se adicionar um fundente) é aquecida a uma temperatura da ordem de 1300ºC a 1500ºC de forma a promover a união das partículas. O produto final apresenta-se poroso e de composição uniforme, denominado sínter (Figura 3). Materiais de Construção Mecânica IV 11

12 Figura 3 - Aspecto do sínter (produto do processo de sinterização). No processo de pelotização são formadas pelotas (Figura 4) a partir de uma mistura de finos de minério, água e uma substância aglomerante. Eventualmente podem ser empregados aditivos para aumentar a resistência mecânica das pelotas. Posteriormente, as pelotas são secadas e queimadas em fornos à temperaturas da ordem de 1350ºC para consolidação da resistência mecânica. Figura 4 - Aspecto das pelotas (produto do processo de pelotização). Materiais de Construção Mecânica IV 12

13 3.2. CARVÃO Os carvões utilizados na indústria siderúrgica podem ser de origem vegetal ou mineral. Dentre estes últimos, destacam-se as turfas, os linhitos, as hulhas e os antracitos (em ordem crescente de tempo de formação), sendo as hulhas (ou carvões betuminosos) os mais comuns. Carvão Vegetal Turfas Linhitos Mineral Tempo de formação Hulhas Antracitos Os carvões vegetais são obtidos através da pirólise 1 da madeira, a qual resulta em um resíduo sólido rido em carbono fixo, além de subprodutos gasosos (CO 2, CO, H 2, etc) e líquidos (alcatrões, ácido acético, álcool metílico, etc). No Brasil, a carbonização da madeira para a obtenção de carvão vegetal é feita em fornos rudimentares e pouco eficientes, com a perda dos subprodutos gasosos e líquidos. O carvão vegetal apresenta, em média, a seguinte composição química (Tabela 1): Tabela 1 - Composição típica de um carvão vegetal. Composição Cinzas 5% Substâncias voláteis 25% Carbono fixo 70% Estes índices mostram um produto de alta qualidade, mesmo se comparados aos melhores carvões minerais. Entretanto, sua resistência mecânica é baixa, de forma que os altos-fornos à carvão vegetal tenham uma capacidade de produção bem menor que os altosfornos à carvão mineral (Tabela 2). 1 Aquecimento na ausência de ar para a quebra de moléculas complexas. Materiais de Construção Mecânica IV 13

14 Tabela 2 - Capacidades típicas de altos-fornos. Capacidade típica do alto-forno À carvão vegetal T / dia À carvão mineral (coque) T / dia Os carvões minerais são constituídos basicamente de matéria vegetal decomposta e fossilizada, convertendo-se progressivamente em turfas, linhitos, hulhas (carvões betuminosos) e antracitos. Para adequar suas características físico-químicas, os carvões minerais devem ser submetidos a um processo de coqueificação, do qual resulta o coque siderúrgico (ou simplesmente coque). Um carvão betuminoso adequado à produção de coque apresenta a seguinte composição média (Tabela 3): Tabela 3 - Composição típica de um carvão mineral para a produção de coque. Composição Cinzas 7% Substâncias voláteis 33% Carbono fixo 60% O processo de coqueificação tem como objetivos o aumento da resistência mecânica e da porosidade, além da redução do teor de substâncias voláteis. A resistência mecânica deve ser o suficientemente alta para suportar o peso da carga no alto-forno sem que haja seu esmagamento, de forma a não prejudicar sua permeabilidade. A porosidade aumenta a área de contato do coque com o oxigênio, favorecendo as reações de formação do CO e do CO 2 e aumentando o rendimento das reações de redução dos minérios. O processo de coqueificação é realizado nas plantas de coqueificação e consiste basicamente no aquecimento à temperaturas entre 1100ºC e 1300ºC de carvões minerais (principalmente os carvões betuminosos) em câmaras de coqueificação hermeticamente fechadas (ausência de ar) por períodos de até 18 horas. Os fornos de coqueificação são compostos por uma bateria de até 100 câmaras de coqueificação intercaladas com câmaras de aquecimento (Figura 5). O produto da coqueificação é o coque, o Materiais de Construção Mecânica IV 14

15 qual se apresenta como uma substância porosa, com resistência mecânica elevada (se comparada com os carvões vegetais) e alto teor de carbono, além de subprodutos gasosos e líquidos (Figura 6). Figura 5 - Vista geral de um forno de coqueificação. No detalhe, uma câmara de coqueificação aberta, prestes a ser descarregada. CARVÃO MINERAL Gás impuro (25%) COQUE (75%) Gás combustível (17,00%) Sulfato de amônio (1,20%) Alcatrão (5,30%) Piridina (0,01%) Óleos leves (1,20%) Outros (0,29%) Figura 6 - Produtos e subprodutos da coqueificação. Os carvões minerais brasileiros possuem propriedades de coqueificação pobres, motivo pelo qual devem ser misturados a carvões importados de alta qualidade, na proporção de 20% a 30% de carvão nacional. Materiais de Construção Mecânica IV 15

16 3.3. FUNDENTE A principal função do fundente é a formação da escória de alto-forno, através de sua combinação com as cinzas do coque e as impurezas do minério, reduzindo o ponto de fusão e fazendo com que estes se separem do metal líquido (ferro gusa). Os principais fundentes utilizados são o calcário (CaCO 3 ) e a dolomita (CaCO 3.MgCO 3 ). Uma vez no alto forno, estes se decompõem em cal (CaO) e magnésia (MgO), os quais combinam-se com os óxidos ácidos além de possuir poder dessulfurante OUTRAS MATÉRIAS-PRIMAS Além das matérias-primas já citadas, outras matérias-primas também importantes no indústria siderúrgica são: a) Manganês: elemento de liga imprescindível nos aços, age como dessulfurante e desoxidante. O mineral mais importante para o fornecimento de manganês é a pirolusita (MnO 2 ), cujo teor de manganês varia de 30% a 50%. b) Elementos de liga: necessários para a produção das ligas de aço e ferros-liga. Incluem elementos como silício, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, alumínio e cobalto. c) Sucatas de ferro e aço: sua utilização nos altos-fornos ou nos fornos conversores para a produção de ferro gusa ou aço permite uma apreciável economia de minério, coque e calcário (necessários para a produção do ferro gusa), além de proporcionar a reciclagem destes materiais. 2 A dessulfuração consiste na redução dos teores de enxofre, elemento que tende a conferir fragilidade ao ferro ou aço. Materiais de Construção Mecânica IV 16

17 4. PRODUÇÃO DO FERRO GUSA O ferro gusa é o produto da redução dos óxidos de ferro, apresentando-se como ferro em estado líquido com 3% a 4% de carbono, além de impurezas como enxofre, fósforo, silício e manganês. A produção do ferro gusa envolve principalmente o alto forno, no qual ocorrem as reações de redução, além de equipamentos auxiliares, tais como sistemas de carregamento, regeneradores, sistemas de limpeza de gases, etc ALTO FORNO O alto forno é um reator tipo chaminé com carga sólida descendente (minério, coque e fundentes) e carga gasosa ascendente (gases de redução, gases de alto forno). Seu funcionamento é contínuo, permanecendo anos em operação ininterrupta. A estrutura do alto forno pode ser dividida basicamente em cadinho, rampa, cuba e topo (Figura 7). topo sistema de carregamento cuba anel de vento saída de escória rampa cadinho ventaneiras saída de gusa Figura 7- Estrutura do alto forno. Materiais de Construção Mecânica IV 17

18 O cadinho corresponde à parte onde se acumulam o metal em estado líquido (gusa) e a escória, resultantes dos processos de redução. O vazamento destes materiais é feito através dos furos de corrida do gusa e da escória, sendo que este último é posicionado acima do primeiro devido à densidade da escória ser menor que a do gusa, fazendo com que a escória fique sobrenadando o gusa. O vazamento destes materiais é feito na casa de corrida. Na parte superior do cadinho encontram-se posicionadas as ventaneiras, geralmente em número de 20 a 32, as quais injetam ar pré-aquecido sob pressão no interior do alto forno para as reações de redução. As ventaneiras estão ligadas ao anel de vento, o qual circunda a estrutura do alto forno e recebe o ar aquecido dos regeneradores. Logo acima do cadinho encontra-se a rampa, região mais aquecida do alto forno, concentrando a maioria das reações de redução dos minérios. A cuba recebe a carga inserida pelo topo do alto forno através de um sistema de carregamento. Também no topo ocorre a saída dos gases de alto forno, através dos tubos de ascensão de gases. Estes gases são reaproveitados em outros processos após passarem por um processo de limpeza REAÇÕES DO ALTO FORNO Formação do CO (monóxido de carbono) e do CO 2 (dióxido de carbono): ocorre na região das ventaneiras em temperaturas da ordem de 1800 o C a 2000 o C. C + O 2 CO 2 CO 2 + C 2CO (elemento redutor) Decomposição dos carbonatos: ocorre a aproximadamente 800 o C, formando os óxidos de cálcio (CaO cal) e magnésio (MgO magnésia), os quais combinarão com a ganga do minério e as cinzas do carvão para a formação da escória. CaCO 3 CaO (cal) + CO 2 MgCO 3 MgO (magnésia) + CO 2 Redução dos óxidos de ferro: se dá principalmente pela ação do monóxido de carbono, e também pela ação do carbono do carvão. Materiais de Construção Mecânica IV 18

19 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 Elemento redutor: CO FeO + CO Fe + CO 2 Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO Elemento redutor: C Formação da cementita (carbeto de ferro): a saturação do ferro com carbono dá origem à precipitação do carbeto de ferro (Fe 3 C cementita), composto que confere dureza e resistência ao ferro. 3Fe + C Fe 3 C 3Fe + 2CO Fe 3 C + CO 2 Outras dezenas de reações poderiam ser citadas, tais como a redução do manganês, silício e fósforo a partir de seus óxidos, a redução do ferro a partir do sulfeto de ferro (FeS) além das reações de formação da escória PRODUTOS E SUBPRODUTOS DO ALTO FORNO O principal produto do alto forno é o ferro gusa, além de subprodutos como a escória e o gás de alto forno. Para a produção de 1.000Kg de ferro gusa são necessários, em média: 1.700Kg de minério de ferro; 400a 600 Kg de coque; 140Kg de cal ou magnésia; a 2.000Kg de ar. Além destes insumos há o consumo de água para refrigeração (da ordem de 20m 3 /T de ferro gusa) e energia elétrica para acionamento de dispositivos de carregamento, compressores, etc (da ordem de 10KWh/T de ferro gusa). Materiais de Construção Mecânica IV 19

20 O ferro gusa resultante tem composição média como a mostrada na Tabela 4: Tabela 4 Composição média do ferro gusa. Elemento % (peso) Si 0,5 3,0 S 0,035 0,050 P 0,040 0,400 Mn 1,0 2,0 C 3,0 4,5 Fe Balanço A escória formada tem composição média como mostrado na Tabela 5: Tabela 5 - Composição média da escória de alto forno. Componente % (peso) SiO CaO Al 2 O MgO 1 12 FeO 0,5 2,0 S 0,4 1,2 A aplicação mais importante da escória é na fabricação de cimento, em substituição ao clínquer (mistura cozida de sílica e argila). Os gases resultantes dos processos de redução possuem alto poder calorífico, sendo aproveitados depois de limpos (eliminação dos finos) em processos de aquecimento de regeneradores, fornos, produção de energia elétrica, etc. Sua composição média é mostrada na Tabela 6: Materiais de Construção Mecânica IV 20

21 Tabela 6 - Composição média do gás de alto forno. Componente % (volume) CO 2 13 CO 27 H 2 3 N EQUIPAMENTOS AUXILIARES DO ALTO FORNO A Figura 8 e a Figura 15 mostram o alto forno e seus equipamentos auxiliares, os quais são descritos a seguir: Sistema de carregamento do alto forno Sistema de transporte ao topo do alto forno Sistema de limpeza dos gases Regeneradores Casa de corrida Casa de silos Carro torpedo Figura 8 - Alto forno e seus equipamentos auxiliares. Materiais de Construção Mecânica IV 21

22 Casa de silos: mantém estocadas as matérias primas para a produção do gusa. Sistema de transporte ao topo do alto forno: o tipo de sistema varia em função do volume de produção de gusa. São utilizados caçambas, carros (skip cars) ou correias transportadoras. Caçambas: são levadas ao topo do alto forno por meio de guindastes e descarregadas pelo fundo. Limitado a pequenos volumes de produção (até 200T/dia). Carros: dois carros tracionados por cabos movimentam-se num plano inclinado unindo a casa de silos ao topo do alto forno. Adequado para volumes de produção até 3500T/dia. Correias transportadoras: a matéria prima é conduzida até o topo do alto forno por correias transportadoras movendo-se sobre um plano inclinado. Adequado para volumes de produção acima de 3500T/dia. Sistema de carregamento do alto forno: devem permitir a entrada de matérias primas no alto forno sem que haja escape dos gases de alto forno para a atmosfera. São utilizados os sistemas duplo cone e calha rotativa. Duplo com (ou duplo sino): a carga é recebida na tremonha de recebimento passando para a tremonha de inferior com a abertura do cone pequeno. Após o fechamento do cone pequeno, vedando a saída de gases do alto forno, abre-se o cone grande para que a carga passe da tremonha inferior para o interior do alto forno (Figura 9). Este sistema apresenta o inconveniente do desgaste dos cones pelo atrito causado na passagem da carga, prejudicando a vedação com o conseqüente vazamento dos gases de alto forno. Além disso, o sistema carrega a carga em pilhas circulares, prejudicando sua distribuição no interior do alto forno. Materiais de Construção Mecânica IV 22

23 Tremonha de recebimento Selo de gás Cone pequeno Cone grande Figura 9 - Sistema de carregamento tipo duplo cone ou duplo sino. Calha rotativa: a carga é distribuída no interior do alto forno através de uma calha que gira em torno do eixo do alto forno, podendo ainda ajustar seu ângulo em relação ao eixo de forma a proporcionar uma melhor distribuição da carga (Figura 10). Neste sistema os selos de gás estão fora do fluxo do material, evitando-se os problemas de desgaste dos selos de gás do sistema duplo cone. Calha rotativa Figura 10 - Sistema de carregamento tipo calha rotativa. Sistema de limpeza dos gases: responsável pela limpeza dos gases de alto forno antes de sua reutilização em outros processos. O gás de alto forno apresenta entre 5 e 40g/m 3 de material pulverelento (finos de minério, carvão e fundentes), devendo após a limpeza apresentar, no máximo, 10mg/m 3. A limpeza é feita com o auxílio de um Materiais de Construção Mecânica IV 23

24 coletor de poeiras, o qual recolhe parte dos finos arrastados pelo gás de alto forno, e lavadores de gás, os quais empregam um precipitador eletrostático que ioniza as partículas de pó atraindo-as para suas paredes, sendo em seguida arrastadas por uma camada de água que escorre pelas paredes (Figura 11). Figura 11 - Sistema de limpeza dos gases de alto forno. Casa de corrida: local onde é feito o vazamento do gusa e da escória contidos no cadinho do alto forno através de orifícios vedados com lama refratária. Os orifícios são abertos com um perfurador pneumático e após a corrida são novamente fechados com o auxílio de um canhão de lama. Perfurador pneumático Canhão de lama Figura 12 - Casa e corrida e seus equipamentos. Materiais de Construção Mecânica IV 24

25 Regeneradores: a função do regenerador (estufa) é armazenar o calor gerado pela queima de uma mistura de gases de coqueria e alto forno em uma câmara de combustão. O calor resultante é armazenado em uma pilha de tijolos refratários dispostos em uma câmara adjacente à câmara de combustão. Após este processo, ar comprimido é soprado da base da câmara de empilhamento, aquecendo-se em meio à pilha de tijolos refratários até chegar a temperaturas da ordem de 900 o C a 1350 o C. O ar assim aquecido será conduzido até o alto forno, para dento do qual será soprado através das ventaneiras (Figura 13). Normalmente são empregados três regeneradores operando alternadamente, ou quatro para volumes de produção acima de 4000T/dia. Figura 13 - Regenerador. Carros torpedo: com capacidade de 200 a 250T, transportam o gusa em estado líquido da casa de corrida até a aciaria, movendo-se sobre trilhos (Figura 14). Podem também servir como recipientes para as reações de dessulfuração do gusa injeção de pó de CaC 2 -CaO-C (proporção de ) por meio gasoso (N 2 ). CaC 2 + S CaS + 2C CaO + C + S CaS + CO Materiais de Construção Mecânica IV 25

26 Figura 14 - Carro torpedo sendo carregado na casa de corrida. Regenerador Alto forno Sistema de carregamento Sistema de limpeza dos gases Sistema de transporte ao topo do alto forno Carro torpedo Casa de silos Figura 15 - Vista real do alto forno, mostrando alguns de seus equipamentos auxiliares. Materiais de Construção Mecânica IV 26

27 5. PRODUÇÃO DO AÇO O ferro gusa pode ser definido como uma liga de Fe-C contendo teores elevados de C e impurezas como Si, Mn, P e S. O aço é uma liga obtida a partir do ferro gusa, contendo baixos teores de C e impurezas (Si, Mn, P e S). A redução dos teores destes elementos se dá através de processos de oxidação em fornos conversores. Os agentes oxidantes podem ser de natureza gasosa (ar ou oxigênio) ou sólida (minérios na forma de óxidos). Independente do tipo de agente oxidante utilizados, os processos de fabricação do aço podem ser classificados em: Processos ácidos: oxidação do C, Si e Mn; Processos básicos: oxidação do C, Si, Mn, P e S. O que determina se um processo é ácido ou básico é a natureza ácida ou básica do revestimento refratário do conversor PROCESSOS PNEUMÁTICOS O princípio básico dos processos pneumáticos é a introdução (sopro) de ar ou oxigênio no conversor carregado com ferro gusa no estado líquido de forma a provocar as reações de oxidação do C, Si, Mn, P e S. O sopro pode ser feito pelo fundo, pelo lado ou pelo topo do conversor, dependendo do processo (Figura 16). Figura 16 - Tipos de conversores pneumáticos. Materiais de Construção Mecânica IV 27

28 5.2. CONVERSOR BESSEMER Processo pneumático tradicional, desenvolvido na Inglaterra em 1847, utilizase de um conversor composto por uma carcaça metálica de formato cilíndrico revestida internamente com material refratário silicoso de natureza ácida. No fundo do conversor são posicionadas ventaneiras por onde o ar é soprado através da carga de gusa líquido (Figura 17). Figura 17 - Conversor Bessemer. As reações de oxidação que ocorrem durante o sopro são fortemente exotérmicas, não havendo necessidade de aquecimento da carga. A operação do conversor pode ser dividida em carregamento, sopro e vazamento (Figura 18). Figura 18 - Etapas da operação do conversor Bessemer. No carregamento o conversor é basculado até a posição quase horizontal, procedendo-se ao carregamento de materiais sólidos (sucata e/ou minério) seguido do gusa em estado líquido, de forma que o metal fique restrito ao ventre do conversor, sem que entre Materiais de Construção Mecânica IV 28

29 em contato com as ventaneiras. Inicia-se então o sopro pelo fundo do conversor ao mesmo tempo em que este é basculado até a posição vertical, permanecendo nesta posição até que a oxidação se complete. As principais reações de oxidação verificadas durante o sopro são a oxidação do silício (fortemente exotérmica) e do carbono, cujo teor deve ser no máximo de 2,11%: 2Fe + O 2 2FeO 2FeO + Si SiO 2 + 2Fe FeO + C Fe + CO O controle do processo é feito pela inspeção (com auxílio de instrumentos) da chama projetada pela boca do conversor. Após o término da oxidação, o conversor é novamente basculado para o vazamento, enquanto o suprimento de ar é reduzido até o desligamento.já na panela, o metal é adicionado de Mn para desoxidação e dessulfuração: FeO + Mn MnO + Fe FeS + Mn MnS + Fe (Tabela 7): O aço obtido no processo Bessemer possui a seguinte composição típica Tabela 7 - Composição típica do aço produzido em um conversor Bessemer, evidenciando a baixa redução dos teores de P e S. Elemento % peso (antes da conversão) % peso (depois da conversão) C 3,0 4,5 0,10 Mn 0,4 0,7 0,50 Si 1,1 1,5 0,005 P 0,090 0,080 S 0,030 0,025 Materiais de Construção Mecânica IV 29

30 Entre as desvantagens deste processo, podem-se citar as dificuldades para o controle do processo, temperatura e composição química do banho CONVERSOR THOMAS Processo desenvolvido em 1879 na Inglaterra, é essencialmente semelhante ao processo Bessemer, com a diferença do revestimento refratário do conversor, que neste caso é constituído de dolomita, de natureza básica. As características físicas do conversor são essencialmente iguais ao do conversor Bessemer, entretanto a operação do conversor Thomas apresenta algumas peculiaridades. O ferro gusa sofre dessulfuração prévia ao carregamento no conversor, com a adição de barrilha ou carbonato de sódio. O conversor é basculado até a posição de carregamento e é carregado com cal (CaO 130 Kg / T de gusa) e o gusa líquido. A seqüência de operações a partir daí é semelhante ao processo Bessemer. Nas reações processadas no conversor, tem-se a remoção do P e S pela ação da cal, a qual pode ser utilizada devido ao revestimento refratário ser de natureza básica CONVERSOR DE SOPRO LATERAL São conversores de pequena capacidade (até 2,5 T) com revestimento silicoso de natureza ácida. O sopro é feito pela lateral do conversor, acima da superfície do banho metálico. As reações de oxidação são exotérmicas e semelhantes à do conversor Bessemer CONVERSOR DE SOPRO PELO TOPO O processo mais comum deste tipo é o L-D (Linz Donawitz), também conhecido como BOP (Basic Oxigen Process Processo Básico à Oxigênio). O forno não apresenta abertura no fundo e possui revestimento refratário de natureza básica, permitindo a redução dos teores dos principais elementos contidos no gusa (Figura 19). Materiais de Construção Mecânica IV 30

31 Figura 19 - Conversor L-D. A capacidade dos conversores L-D situam-se freqüentemente acima de 100 T de carga. O sopro é feito através de uma lança refrigerada a água, a qual injeta oxigênio com grau de pureza entre 95% e 99,5%, a uma pressão entre 960 KPa e 1250 KPa, a uma distância entre 0,30 m a 1,00 m do nível do banho metálico. O impacto do jato de oxigênio provoca uma reação violenta, fazendo com que se atinjam temperaturas elevadas, da ordem de 2500ºC a 3000ºC. Na operação do conversor L-D, este é basculado até a posição de carregamento (inclinado horizontalmente Figura 20) para introdução da carga de gusa em estado líquido, sucata e cal. A seguir, o conversor retorna à posição vertical, a lança de oxigênio é abaixada e inicia-se o sopro, o qual dura em torno de 15 minutos (Figura 21). Figura 20 - Carregamento do conversor L-D. Materiais de Construção Mecânica IV 31

32 Figura 21 - Sequência de operação do conversor L-D. As reações de oxidação são semelhantes às dos outros processos básicos, com a diferença de que o teor de Mn residual é maior do que nos outros processos, de forma que comumente não há necessidade da adição de Mn na panela de vazamento para desoxidação e dessulfuração. Uma variante deste processo é o Stora-Kaldo no qual a operação do forno é feito com o mesmo inclinado de 15º a 20º em relação à posição horizontal, sendo ainda submetido a uma rotação de até 30 RPM ao longo do eixo longitudinal (Figura 22). Figura 22 - Processo Stora-Kaldo. O revestimento, como no conversor L-D é de natureza básica. O oxigênio é soprado através de uma lança, a qual varre uma superfície maior do banho metálico, o que aumenta a área de reação e protege o fundo do conversor do aquecimento excessivo. Materiais de Construção Mecânica IV 32

33 6. SISTEMA FERRO-CARBONO Mais importante sistema de ligas binárias, formado pelo ferro e o carbono, no qual se incluem os aços e os ferros fundidos. O diagrama de fases para o sistema Fe-C é mostrado na Figura 23. O ferro apresenta duas transformações em sua estrutura cristalina ao ser aquecido: Até 912ºC o ferro possui estrutura CCC, conhecida como ferrita ou ferro α; De 912ºC até 1394ºC o ferro sofre transformação polimórfica para estrutura CFC, conhecida como austenita ou ferro γ; De 1394º até 1538ºC o ferro volta a apresentar estrutura CCC, conhecida como ferrita δ ou ferro δ; Acima de 1538ºC o ferro se funde. O eixo das composições se estende até 6,70%p C, concentração esta em que se forma a cementita (Fe 3 C carbeto de ferro), motivo pelo qual o diagrama de fases do Fe-C é mais apropriadamente chamado de diagrama de fases do ferro carbeto de ferro (Fe-Fe 3 C) FASES DO SISTEMA Fe-Fe 3 C O carbono é uma impureza intersticial no ferro, formando soluções sólidas com a ferrita, austenita e ferro δ. Na ferrita e no ferro δ a solubilidade do carbono é limitada, o que pode ser explicado pelas estruturas CCC possuírem posições intersticiais que dificultam a acomodação dos átomos de carbono. A solubilidade do carbono na austenita é cerca de 100 vezes maior que na ferrita, uma vez que as posições intersticiais na estrutura CFC são maiores. A austenita ligada somente ao carbono não é estável em temperaturas abaixo de 727ºC, e sua transformação é de extrema importância no tratamento térmico dos aços. A austenita é não-magnética. O ferro δ por existir somente em altas temperaturas não tem importância tecnológica. Materiais de Construção Mecânica IV 33

34 Figura 23 Diagrama de fases do sistema Fe-Fe 3 C. A cementita se forma quando o limite de solubilidade do carbono no ferro é excedido nas fases α (ferrita) e γ (austenita). Mecanicamente, possui elevadas dureza e fragilidade, sendo que a resistência dos aços é aumentada devido à sua presença. A cementita é um composto metaestável podendo, sob aquecimento prolongado (vários anos), se decompor em ferro e carbono na forma de grafita, de forma que o diagrama de fases do sistema Fe-Fe 3 C não é um verdadeiro diagrama de equilíbrio. Contudo, como a taxa de decomposição da cementita é extremamente lenta, o diagrama de fases do Fe-Fe 3 C é válido para todos os fins práticos PONTOS INVARIANTES Existe um ponto invariante à composição de 4,30%p C à 1147ºC chamado de eutético ( facilmente fundido ), onde ocorre a reação eutética: resfriamento L (4,30%p C) aquecimento γ (2,11%p C) + Fe 3 C (6,70%p C) Materiais de Construção Mecânica IV 34

35 Observa-se que na reação eutética uma fase líquida (L) se transforma em duas fases sólidas (γ e Fe 3 C). Outro ponto invariante ocorre à composição de 0,76%p C à 727ºC, chamado de eutetóide ( como o eutético ). Neste ponto, ocorre a seguinte reação eutetóide: resfriamento γ (0,76%p C) α (0,022%p C) + Fe 3 C (6,70%p C) aquecimento Observa-se que na reação eutetóide uma fase sólida (γ) se transforma em duas novas fases sólidas (α e Fe 3 C). As transformações de fases eutetóides são de suma importância no tratamento térmico dos aços CLASSIFICAÇÃO DAS LIGAS DE Fe-C As ligas ferrosas podem ser classificadas em: Ferro comercialmente puro: concentração de carbono menor que 0,022%p. À temperatura ambiente, composto quase que exclusivamente pela fase α; Aço: concentração de carbono entre 0,022%p e 2,14%p, composto pela fase α e Fe 3 C. Durante o resfriamento à temperatura ambiente, uma liga classificada como aço deve necessariamente passar pelo campo de fases γ, com a produção de microestruturas distintas; Ferros fundidos: concentração de carbono entre 2,14%p e 6,70%p (raramente maior que 4,50%p) DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS DE Fe-C Ligas eutetóides As microestruturas desenvolvidas nas ligas de aço dependem tanto do tratamento térmico a que são submetidas como da sua composição. As mudanças de fase que ocorrem na passagem do campo de fases γ para o campo de fases α + Fe 3 C são semelhantes às mudanças descritas para os sistemas eutéticos binários. Materiais de Construção Mecânica IV 35

36 Uma liga eutetóide (0,76%p C) resfriada lentamente a partir do ponto a (Figura 24) dará origem, ao passar pela temperatura eutetóide (727ºC) a uma microestrutura composta por lamelas alternadas da fase α (ferrita) e Fe 3 C (cementita), as quais se formam simultaneamente através da reação eutetóide. Figura 24 - Resfriamento de uma liga eutetóide, evidenciando a formação da perlita (fase α + Fe 3 C) a partir da austenita (fase γ). A estrutura resultante (ponto b) é conhecida como perlita (Figura 25) e apresenta propriedades mecânicas intermediárias entre a ferrita (macia e dúctil) e a cementita (dura e frágil). Estrutura Fases presentes Perlita Ferrita (ferro α) + cementita (Fe 3 C) Figura 25 - Micrografia da perlita, mostrando as lamelas de cementita (linhas escuras) em meio às lamelas de ferrita (linhas claras). Aumento de 500X. Materiais de Construção Mecânica IV 36

37 A distribuição lamelar das fases se dá pela diferença da composição da fase original (γ, 0,76%p C) e das fases resultantes (α, 0,022%p C e Fe 3 C, 6,70%p C), exigindo uma redistribuição por difusão do carbono (Figura 26). Figura 26 - Redistribuição do carbono por difusão na formação da perlita Ligas hipoeutetóides As ligas hipoeutetóides ( menos que o eutetóide ) possuem entre 0,022%p C e 0,76%p C. O resfriamento lento destas ligas dará origem ao surgimento da ferrita proeutetóide ( que se forma antes do eutetóide ) ao passar do campo de fases γ para o campo de fases γ + α (Figura 27). Figura 27 - Resfriamento de uma liga hipoeutetóide, evidenciando a formação da ferrita proeutetóide. Materiais de Construção Mecânica IV 37

38 Os grãos de ferrita proeutetóide formados crescem até que o resfriamento atinja a temperatura eutetóide. Abaixo desta temperatura, toda a fase γ remanescente se transforma em perlita. A estrutura resultante apresentará grãos de ferrita proeutetóide em meio a grãos de perlita que se formaram pela reação eutetóide (Figura 28). Figura 28 - Micrografia de um aço hipoeutetóide (0,38%p C), mostrando os grãos de ferrita proeutetóide (áreas claras) em meio aos grãos de perlita (áreas escuras). Aumento de 635X Ligas hipereutetóides As ligas hipereutetóides ( mais que o eutetóide ) possuem entre 0,76%p C e 2,11%p C. De forma análoga às ligas hipoeutetóides, o resfriamento lento das ligas hipereutetóides dá origem ao surgimento da cementita proeutetóide ao passar do campo de fases γ para o campo de fases α + Fe 3 C. Figura 29- Resfriamento de uma liga hipereutetóide, evidenciando a formação da cementita proeutetóide. Materiais de Construção Mecânica IV 38

39 A estrutura resultante consiste de uma rede de cementita proeutetóide envolvendo as colônias de perlita que se formaram pela transformação da austenita remanescente à temperatura eutetóide através da reação eutetóide (Figura 30). Figura 30 - Micrografia de um aço hipereutetóide (1,40%p C), mostrando a rede de cementita proeutetóide (linhas espessas claras) em meio às colônias de perlita (áreas escuras). Aumento de 1000X. Materiais de Construção Mecânica IV 39

40 7. TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS A maioria das transformações de fases não são instantâneas. Obstáculos às reações de transformações (rearranjos atômicos via difusão, aumento de energia interfacial entre as fases sendo formadas) as tornam dependentes do tempo. Do ponto de vista microestrutural, a transformação de fases pode ser dividida em dois estágios Nucleação: formação de partículas ou núcleos da nova fase, os quais são capazes de crescer. Crescimento: os núcleos formados aumentam de tamanho, formando a nova fase enquanto a fase original vai desaparecendo. As taxas temporais de transformação isotérmicas no estado sólido (cinética de transformação) são extremamente importantes nos tratamento térmicos dos metais, e exibem um comportamento típico como o mostrado na Figura 31. Figura 31 - Gráfico da fração da fase transformada pelo logaritmo do tempo à temperatura constante. Note-se os estágios de nucleação e crescimento da fase. equação de Avrami: As transformações que exibem tal comportamento podem ser expressas pela Onde: k, n = constantes empíricas; y =1 e kt n Materiais de Construção Mecânica IV 40

41 t = tempo; y = fração da transformação TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS Transformações de fases podem ser induzidas em ligas metálicas pela variação de temperatura (tratamentos térmicos). Em sistemas sólidos em equilíbrio, a taxa de transformação é tão lenta que a torna impraticável para todos os fins práticos. Para transformações à taxas maiores que aquelas que conduzem a sistemas em equilíbrio, as temperaturas de transformação nos diagramas de fase são deslocadas em relação às temperaturas em condições de equilíbrio. Em geral, as microestruturas metaestáveis que se formam através de taxas de transformação que conduzem a sistemas em não equilíbrio são mais desejáveis que aquelas obtidas em sistemas em equilíbrio. Desta forma, o conhecimento da cinética das transformações de fase, em muitos casos, mais importante que o conhecimento do estado final de equilíbrio DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRIMCAS Os diagramas de transformações isotérmicas relacionam o percentual de transformação das fases com o logaritmo do tempo de transformação para uma determinada temperatura (Figura 32). Figura 32 Diagrama de transformação isotérmica para um aço eutetóide (0,76%p C) mostrando a transformação da austenita em perlita. Materiais de Construção Mecânica IV 41

42 7.3. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO TEMPO TEMPERATURA (DIAGRAMAS TTT) Os diagramas TTT (Figura 34) representam de forma mais conveniente a dependência do tempo e da temperatura para as transformações de fases. Estes diagramas são gerados a partir de uma série de diagramas de transformações isotérmicas, os quais fornecem os pontos do início da transformação, o final da transformação e o ponto correspondente a 50% da transformação, os quais são plotados em um plano temperatura x tempo (Figura 33). Note-se que estes diagramas são válidos apenas para a previsão de estruturas formadas através de transformações isotérmicas. Figura 33 - Demonstração de como um diagrama TTT é gerado a partir de um diagrama de transformação isotérmico. Materiais de Construção Mecânica IV 42

43 Figura 34 - Diagrama TTT mostrando as estruturas formadas durante o resfriamento de uma liga de Fe-C eutetóide (0,76%p C) PRINCIPAIS ESTRUTURAS FORMADAS NA SOLIDIFICAÇÃO DOS AÇOS (SISTEMAS EM NÃO EQUILÍBRIO) Perlita A perlita é formada na reação eutetóide do sistema Fe-Fe 3 C através da transformação da austenita instável (abaixo da temperatura eutetóide) nas fases α (ferrita) e Fe 3 C (cementita), as quais se distribuem em lamelas alternadas. A perlita formada em temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetóide (727ºC) possui camadas espessas das fases α e Fe 3 C, devido à alta taxa de difusão do carbono, favorecendo sua difusão ao longo de distâncias mais elevadas, originando uma estrutura conhecida como perlita grosseira (Figura 35). Em temperaturas mais baixas (em torno de 540ºC) a taxa de difusão do carbono cai e em conseqüência a perlita formada possui lamelas mais finas, devido à difusão Materiais de Construção Mecânica IV 43

44 do carbono a distâncias menores. Esta estrutura é conhecida como perlita fina (Figura 35). Em relação às propriedades mecânicas, a perlita possui propriedades intermediárias entre a fase α (dúctil) e Fe 3 C (dura e frágil). A perlita grosseira possui maior ductilidade, ao passo que a perlita fina é mais dura e resistente. Figura 35 - Micrografias da perlita grosseira (à esquerda) e fina (à direita). Ampliação 3000X Bainita A bainita é também formada pelas fases α e Fe 3 C, porém com distribuição diferente da estrutura lamelar da perlita. Para temperaturas de transformação entre 300ºC e 540ºC, forma-se a bainita superior, a qual se apresenta na forma de agulhas da fase α separadas por partículas alongadas de Fe 3 C (Figura 36). Figura 36 - Micrografia mostrando um grão de bainita superior em meio a uma matriz de martensita. Observe-se os cristais alongados de Fe 3 C (cementita) em meio às partículas alongadas da fase α (ferrita). Para temperaturas de transformação entre 200ºC e 300ºC é formada a bainita inferior, na qual a fase α se apresenta na forma de lâminas finas com partículas muito finas de Materiais de Construção Mecânica IV 44

45 Fe 3 C em seu interior. Mecanicamente, a bainita por sua estrutura mais refinada é, em geral, mais dura e resistente que a perlita. Ainda assim, esta estrutura exibe uma combinação desejável de resistência e ductilidade Martensita A martensita é uma estrutura formada pelo resfriamento rápido de ligas de Fe- C austenitizadas (aquecidas até que toda a estrutura se transformarem austenita fase γ) até temperaturas próximas à temperatura ambiente. A martensita é uma estrutura monofásica a qual não se encontra em equilíbrio, motivo pelo qual não aparece no diagrama de fases do sistema Fe-Fe 3 C. A taxa de resfriamento para a formação da martensita deve ser o suficientemente rápida para prevenir a difusão do carbono. Nestes casos, a austenita, de estrutura CFC sofre uma transformação polimórfica para uma estrutura martensítica TCC como mostrado na Figura 37, onde os círculos representam as posições dos átomos de ferro e as cruzes representam as posições ocupadas pelos átomos de carbono. Note-se que c > a. Figura 37 - Estrutura TCC da martensita. Os átomos de carbono ocupam posições intersticiais formando uma solução sólida supersaturada, a qual pode, sob aquecimento, se transformar rapidamente em outras estruturas. Materiais de Construção Mecânica IV 45

46 Como a transformação martensítica não envolve processos de difusão atômica, ela ocorre quase que instantaneamente, sendo portanto independente do tempo. Isto explica o fato das linhas de formação da martensita nos diagramas TTT serem paralelas ao eixo do tempo Cementita globulizada A cementita globulizada é uma estrutura formada pelo aquecimento de estruturas perlíticas ou bainíticas abaixo da temperatura eutetóide por um longo período de tempo. Nesta estrutura, as partículas de cementita aparecem com o aspecto esférico (Figura 38) em meio a uma matriz contínua da fase α, sendo que esta estrutura também é conhecida como esferoidita. A formação da cementita globulizada ocorre pela difusão adicional do carbono, sem qualquer alteração nas fases ferrita e cementita. Figura 38 - Micrografia da cementita globulizada. As partículas escuras são cementita em meio a uma fase contínua de ferrita, mais clara. Ampliação 1000X Martensita revenida A martensita formada pelo resfriamento rápido das ligas de Fe-C apresenta Materiais de Construção Mecânica IV 46

47 elevada dureza e fragilidade, tornando-a inadequada para a maioria das aplicações. Além disso, tensões internas causadas pelo resfriamento rápido produzem um efeito de enfraquecimento da estrutura. A ductilidade e a tenacidade podem ser melhoradas através do aquecimento da martensita a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide de forma a favorecer os processos de difusão do carbono, resultando numa estrutura conhecida como martensita revenida. Na reação de formação da martensita revenida, a martensita (estrutura TCC) se decompõem nas fases α e Fe 3 C por difusão. Martensita α + Fe 3 C (TCC, monofásica) Martensita revenida A microestrutura da martensita revenida apresenta-se como partículas de cementita extremamente pequenas dispersas numa matriz de ferrita (Figura 39). Mecanicamente, a martensita revenida pode ser tão dura e resistente como a martensita, porém com a tenacidade e ductilidade substancialmente aprimoradas. Figura 39 - Micrografia da martensita revenida. As pequenas partículas claras são cementita, em meio a uma fase contínua de ferrita, mais escura. Ampliação 9300X. Materiais de Construção Mecânica IV 47

48 8. TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS Tratamentos térmicos são o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidos os aços, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento. Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são: Remoção de tensões (oriundas de esfriamento desigual, trabalho mecânico ou outra causa); Aumento ou diminuição da dureza; Aumento da resistência mecânica; Melhora da ductilidade; Melhora da usinabilidade; Melhora da resistência ao desgaste; Melhora das propriedades de corte; Melhora da resistência à corrosão; Melhora da resistência ao calor; Modificação das propriedades elétricas e magnéticas. Os principais fatores a serem considerados num tratamento térmico são: aquecimento, tempo de permanência à temperatura e resfriamento, além da atmosfera do recinto, a qual possui grande influência sobre os resultados finais. A velocidade de aquecimento, embora na maioria dos casos seja fator secundário, apresenta certa importância principalmente quando os aços estão em estado de tensão interna ou possuem tensões residuais (devidas a encruamento prévio ou ao estado inteiramente martensítico 3 ), uma vez que nessas condições um aquecimento muito rápido pode provocar empenamento ou mesmo aparecimento de fissuras. A temperatura de aquecimento é um fator determinado pela natureza do processo, das propriedades e estruturas finais desejadas e da composição química do aço (principalmente quanto ao teor de carbono). Quanto mais alta essa temperatura acima da zona crítica 4, maior segurança se tem da completa transformação das fases presentes e solubilização de elementos de liga na fase γ (austenita), entretanto, maior será o tamanho de grão da austenita. 3 Estado no qual a estrutura do aço é composta exclusivamente por martensita. 4 Zona onde ocorre a formação da austenita. Materiais de Construção Mecânica IV 48