Ciência e Engenharia de Materiais I Introdução aos Materiais

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1 Ciência e Engenharia de Materiais I Introdução aos Materiais 3 aula Aços ligados e ferros fundidos Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Licenciatura em Engenharia e Gestão Industrial

2 Para que servem os elementos de liga? -Retardam a transformação da austenite -Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro -Impedem o crescimento do grão durante a austenitização -Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz -Formam óxidos protectores à superfície dos aços -Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios) -Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento

3 Retardam a transformação da austenite -A presença de alguns elementos em solução sólida na austenite estabilizam-na, isto é, tornam mais difícil a sua transformação. -Há diagramas onde podem ser analisadas as transformações que sofre a austenite durante o arrefecimento (TAC transformação em arrefecimento contínuo).

4 Retardam a transformação da austenite -Exemplo real de diagrama TAC

5 Retardam a transformação da austenite -Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos Aço ao carbono Aço Ligado

6 Retardam a transformação da austenite -Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos AÇO AISI ,43% C, 0,68% MN E 0,93% CR AÇO AISI 4340 C0,42% C, 0,78% MN, 1,79 NI, 0,80% CR E 0,33% MO

7 Retardam a transformação da austenite -Propriedades mecânicas após arrefecimento Como o interior das peças arrefecem a uma taxa menor que o exterior, é mais difícil obter as estruturas bainite e martensite e as durezas são menores. Como os elementos de liga permitem obter estas estruturas com arrefecimentos menos violentos, a dureza é constante até ao interior da peça e 1080 aços ao carbono (0,5 e 0,8 %pd C aço de alta liga

8 Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro -Num aço ligado podem formar-se carbonetos durante a sua obtenção. -Os carbonetos mais estáveis são de difícil dissolução (de V, W, Ti). Precisam de temperaturas mais elevadas para se dissolverem na austenite -Para que os elementos de liga retardem a formação da austenite, têm que estar dissolvidos na matriz. Então é necessário dissolver os carbonetos. -No entanto, os carbonetos podem ter um papel importante ao impedirem o crescimento do grão austenítico.

9 Impedem o crescimento do grão durante a austenitização -Ao fixarem-se nas fronteiras de grão impedem o crescimento do grão Nº de grãos intersectados Aço de baixa liga Aço de alta liga Aço de alta liga Carbonetos muito estáveis Temperatura de austenitização ºC -O comportamento mecânico depende do tamanho de grão. Se o grão de austenite for grande, também o será nas fases nas quais ela se transforma, logo piores propriedades mecânicas -Quando os carbonetos se dissolvem, os elementos de liga ficam inseridos na austenite em solução sólida

10 Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz -Quando se dissolvem na matriz dão origem a um endurecimento do material -Endurecimento por solução sólida. Um bom exemplo da utilização deste fenómeno é nos aços-mola que têm teores de Si muito elevados.

11 Formam óxidos protectores à superfície dos aços Aços inoxidáveis Grupo de ligas ferrosas que contêm mais de 11% Cr e que têm uma resistência à corrosão elevada. Para que o Cr tenha efeito é necessário encontrar-se em solução sólida no ferro. Devido à muito elevada afinidade para o oxigénio, o Cr oxida-se preferencialmente em relação ao Fe, formando uma camada superficial de Fe-O que protégé o aço da corrosão e da oxidação. Classes de aços inoxidáveis: Ferríticos Martensiticos Austeniticos Endurecidos por precipitação Com estrutura duplex

12 Formam óxidos protectores à superfície dos aços Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios) -Aços inoxidáveis ferriticos (Cr alfagénio, estabiliza a ferrite) -Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos

13 Formam óxidos protectores à superfície dos aços Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios) -Aços inoxidáveis martensíticos (teores mais baixos de Cr ~13 %Cr) -Se o arrefecimento não for sufcientemente rápido pode haver precipitação de carbonetos

14 Formam óxidos protectores à superfície dos aços Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios) -Aços inoxidáveis austeníticos (Ni, gamagénio, estabiliza a austenite) -Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos durante o arrefecimento

15 Aços Elementos de liga Aços inoxidáveis -Problemas de falta de resistência à corrosão -Em qualquer tipo de aços inoxidáveis pode haver precipitação de carbonetos, logo é retirado Cr da matriz. -Distribuição do Cr no corte X-Y -Precipitação de carbonetos na fronteira de grão -A existência de duas soluções sólidas com teores de Cr diferentes promove a corrosão do Fe. Uma das zonas fica com menos Cr e deixa de estar protegida

16 Aços inoxidáveis Aços Elementos de liga -Resolução dos problemas de falta de resistência à corrosão -Arrefecer rapidamente na gama de temperaturas em que se dá a precipitação dos carbonetos. Nem sempre é fácil (p.ex. em soldaduras) -Diminuir o teor de C o mais possível. Nem sempre isto é fácil e perdemse propriedades mecânicas (p.ex. o 304 e o 304 L passa de 0,1 para 0,03% C) -Recozer as peças que sofreram precipitação (sensibilizadas). Difícil de realizar pois para se dar a homogenização do Cr são necessários tratamentos de mais de 1000 h de duração) -Adicionar elementos que tenham afinidades muito grandes para o carbono. P.ex. Ti, Mo ou Nb

17 Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento -Aços ferramentas (tratamento de revenido) -Durante o aquecimento posterior de uma aço com estrutura martensítica, o carbono em excesso na martensite dá origem à precipitação de carbonetos. Com alguns elementos de liga estes carbonetos precipitam muito finamente e conseguem manter, ou mesmo aumentar (endurecimento secundário) a resitência mecânica do aço.

18 Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA DE ACORDO COM A UTILIZAÇÃO -AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO São aços que se destinam ao fabrico de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aços, metais não ferrosos e materiais não metálicos, em diversas operações como corte, estampagem, cunhagem, trabalhos em madeira, cerâmicos, corte de papel, etc. Não necessitam de grandes quantidades de elementos de liga para manterem a dureza após revenido. Têm alta resistência à abrasão que é assegurada pela presença de carbonetos de Cr, W, Mo e V, juntamente com elevado teor de carbono. -AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A QUENTE Destinam-se ao fabrico de ferramentas utilizadas no trabalho a quente de aços, ligas não ferrosas, etc.. Têm elevada resistência ao revenido; elevada resistência mecânica a quente; boa tenacidade; grande resistência à abrasão a temperaturas elevadas. Os elementos Cr, Mo, V e W ligam-se ao carbono, que nesses aços está entre 0,30 e 0,60%, formando carbonetos que contribuem para a obtenção das propriedades requeridas nos aços. O Ni é adicionado quando se necessita de maior tenacidade - AÇOS PARA MOLDES Aços para moldes usados para transformação de plásticos. São fáceis de ser conformados; têm boa resistência mecânica; são fáceis de polir; têm boa soldabilidade. Têm um teor baixo a médio em elementos de liga que lhe melhoram a temperabilidade -AÇOS RÁPIDOS -Aços utilizados em ferramentas, devido à sua alta dureza no estado temperado e retenção da dureza a elevadas temperaturas (até 550 C-600 C ). Esta característica é chamada de dureza a quente e constitui a mais importante propriedade dos aços rápidos. Além disso, devido ao alto teor de carbono e ao elevado número de carbonetos de liga, estes aços têm uma resistência ao desgaste superior à de outros tipos de aços para ferramentas, o que torna a sua durabilidade maior. São aços de alta liga com elementos como o W, Mo, V, Cr.

19 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Na maioria dos casos seguem o diagrama estável (Fe-C) -Divisão - composição química típica Elemento Ferro cinzento Ferro Nodular Ferro maleável Ferro branco C 2,5-4,0 3, ,0 a 2,6 1,8-3,6 Si 1,0-3,5 1,8-3,0 1,1-1,6 0,5-1,9 Mn 0,25-1,0 0,1-1,0 0,2-1,0 0,25-0,8 S 0,02-0,25 <0,02 <0,18 0,06-0,20 P 0,05-1,0 <0,1 <0,18 0,06-0,18

20 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Ferros fundidos brancos %C [1,8-3,6%] %Si [0,5-1,9] -Estrutura: Ferrite + perlite Boa resistência ao desgaste Duros e frágeis

21 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Ferros fundidos Cinzentos %C [2,5-4%] %Si [1-3%] 5x 50x O teor (quantidade) de perlite depende da velocidade de arrefecimento. α + Fe 3 C α V quantidade de α + Fe3C V difusão do carbono para as lamelas de grafite Maior quantidade de ferrite A grafite forma-se quando o teor de carbono da liga excede a quantidade que se dissolve na austenite precipitação de carbono sob a forma de grafite (por influência do silício) Boa resistência à compressão Boa maquinabilidade Boa resistência ao desgaste Boa resistência à corrosão Boa fluidez Boa resistência à vibração

22 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Ferros fundidos dúctil (grafite nodular) %C [3-4%] %Si [1,8-2,8%] grafite Magnésio reage com oxigénio e enxofre α α + Fe 3 C permite a formação de grafite nodular 5x 50x %S < 0.03% %P < 0,1% Teores 10x menores do que nos F.F. cinzentos Excelente maquinabilidade, Boa fluidez Boa resistência ao desgaste, Boa resistência mecânica, Relativamente dúctil.

23 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Ferros fundidos maleáveis Ferro fundido branco + tratamento térmico 1. Grafitização Aquecimento acima de Teut e manutenção de de 3 a 20h Fe3C carbono + austenite g α 2. Arrefecimento Lento Austenite Ferrite + grafite Rápido Austenite Perlite (martensite) + grafite α + Fe 3 C g

24 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Quadro-resumo

25 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Peças em ferros fundidos Peças de automóvel Machinery Parts Sprockets Gas Burners Radiators Ornamentals Marble Table Antique Toys Flanges (Cast Iron, Forged, Carbon Steel)

26 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Estruturas em ferros fundidos

27 Ferros-fundidos Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %) -Ferros fundidos brancos

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