Aplicações e processamento de ligas metálicas

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1 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1 Aplicações e processamento de ligas metálicas 1º semestre / 2016

2 Aplicações e processamento de ligas metálicas Questões para tratar Como as ligas metálicas são classificadas e quais são suas aplicações comuns? Quais são algumas das técnicas de fabricação comuns para metais? Quais os procedimentos de tratamentos térmicos que são usados para aprimorar as propriedades mecânicas de ligas ferrosas e não-ferrosas? 2

3 Classificação de metais e ligas Ligas metálicas Ferrosas Steels Aços Ferros Cast Irons Fundidos <1,4%p. <1.4wt%C C 3-4,5% wt%c p. C Não-ferrosas Adapted from Fig. 11.1, Callister & Rethwisch 8e d a ferrita T(ºC) g +L g austenita 727ºC Eutetoide: ºC L g +Fe 3 C a +Fe 3 C 4.30 L+Fe 3 C Eutético: microestrutura: ferrita, grafita/cementita Adapted from Fig. 9.24, Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) Fe 3 C cementita (Fe) C o, wt% C 3

4 Aços baixo C <0,25 %p. C Baixa liga médio C 0,25-0,6 %p. C alto C 0,6-1,4 %p. C Alta liga Nome Adições --- Aplicações carros estr. comum HSLA comum tratável Cr,V Ni, Mo Exemplo , 409 Endurecibilidade várias LRT várias AL pontes torres vasos de pressão --- virabrequins eixos parafusos termicam. Cr, Ni Mo pistões engren. aplic. desgaste aplic. desgaste Based on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister & Rethwisch 8e. comum ferramenta inoxidável --- Cr, V, Mo, W aumento de resist., custo, diminuição de ductilidade Cr, Ni, Mo ferramentas aplicações de corte alta T. matrizes turbinas fornos Alta resist. à corrosão 4

5 Produção de ferro Coque Minério de ferro Calcário forno refratário gás camada de coque e minério de ferro ar escória Ferro fundido Ferro gusa Alto forno geração de calor C + O 2 CO 2 Redução do minério de Fe para metal CO 2 + C 2CO 3CO + Fe 2 O 3 2Fe +3CO 2 Purificação CaCO 3 CaO+CO 2 CaO + SiO 2 + Al 2 O 3 slag 5

6 Ligas à base de ferro Aços Ferros fundidos Ligas ferrosas Nomenclatura para aços (AISI/SAE) 10xx Aços carbonos comuns 15xx Mn (1,00 1,65%) 40xx Mo (0.20 ~ 0.30%) 43xx Ni (1,65 2,00%), Cr (0,40 0,90%), Mo (0,20 0,30%) 44xx Mo (0,5%) onde xx é %p. de C x 100 exemplo: aço 1060 aço carbono comum com 0,60 %p. de C Aço inoxidável >11% Cr 6

7 Ferros fundidos Ligas ferrosas com > 2,1%p. de C mais comum: 3 4,5%p. de C Baixa temperatura de fusão relativamente fáceis de fundir Geralmente frágeis Cementita se decompõe em ferrita + grafita Fe 3 C 3 Fe (a) + C (grafita) 7

8 0,65 Diagrama de equilíbrio Fe-C verdadeiro T(ºC) 1600 Formação de grafita promovida por: Si > 1% p. resfriamento lento a + g g Austenita g +L L 1153ºC 4.2 wt% C g + Grafita Líquido + Grafita 740ºC Adapted from Fig. 11.2, Callister & Rethwisch 8e. [Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.- in-chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.] 600 a + Grafita (Fe) C, %p. de C 8

9 Tipos de ferro fundido Ferro fundido cinzento flocos de grafita fraco e frágil em tração mais fortes em compressão excelente amortecimento vibracional resistência ao desgaste Adapted from Fig. 11.3(a) & (b), Callister & Rethwisch 8e. Ferro fundido dúctil (ou nodular) adição de Mg e/ou Ce nódulos de grafita matriz normalmente é perlita mais resistentes e ducteis que ferro cinzento 9

10 Tipos de ferro fundido Ferro fundido branco < 1%p. de Si perlita + cementita elevada dureza frágeis Adapted from Fig. 11.3(c) & (d), Callister & Rethwisch 8e. Ferro fundido maleável tratamento térmico do ferro fundido branco a ºC grafita e rosetas em matriz de ferrita ou perlita razoavelmente resistentes e dúcteis 10

11 Tipos de ferros fundidos Ferro fundido vermicular condutividade térmica relativamente alta boa resistência ao choque térmico baixa oxidação em elevadas temperaturas Adapted from Fig. 11.3(e), Callister & Rethwisch 8e. 11

12 Temperatura Produção de ferros fundidos Adapted from Fig.11.5, Callister & Rethwisch 8e. Reaq.: manter a Faixa comercial dos ferros fundidos Resf. rápido Moderado Resf. lento Moderado Resf. lento Resf. rápido Resf. lento Maleável perlítico Maleável ferrítico ferro fundido branco ferro fundido cinzento perlítico ferro fundido cinzento ferrítico ferro fundido dúctil perlítico ferro fundido dúctil ferrítico 12

13 Limitações de ligas ferrosas 1) Densidades relativamente elevadas 2) Condutividades elétricas relativamente baixas 3) Geralmente possuem baixa resistência à corrosão 13

14 Ligas não-ferrosas Cobre e suas ligas Latão: Zn é impureza subst. (bijuterias, moedas, resistência à corrosão) Bronze : Sn, Al, Si, Ni são impurezas subst. (buchas, mancais, engrenagens) Cu-Be : endurecível por precipitação Titânio e suas ligas -baixa r : 4,5 g/cm 3 vs 7,9 para aço -reativo em alta T Ligas não-ferrosas Metais nobres -Ag, Au, Pt - resistência oxid./corr. Alumínio e suas ligas -baixa r: 2,7 g/cm 3 -adições de Cu, Mg, Si, Mn, Zn -endurecíveis por solid sol. ou precipitação (partes estruturais de aeronaves e embalagens) Mg e suas ligas -r muito baixa: : 1,7g/cm 3 -ignição fácil - aeronaves, mísseis Metais refratários -alta T fusão -Nb, Mo, W, Ta Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister & Rethwisch 3e. 14

15 Fabricação de Metais Como fabricamos metais? Forja Fundição Operações de conformação Alteração de forma mediante deformação plástica Trabalho a quente vs. Trabalho a frio Temperatura de deformação suficientemente alta para recristalização Baixas deformações Deformação abaixo da temperatura de recristalização Ocorre encruamento Menores deformações 15

16 Métodos de fabricação de metais (i) CONFORMAÇÃO Forjamento (ferramentas, virabrequins) força FUNDIÇÃO DIVERSOS Laminação (a quente ou a frio) (perfis, trilhos, chapas e placas) A o matriz A d freq. em T elevada A o A d Estiramento (fios, tubos) força Extrusão (tubos) Adapted from Fig. 11.8, Callister & Rethwisch 8e. A o matriz matriz A d força de tração força A o Êmbolo Invólucro tarugo Invólucro suporte da matriz extrusão A d matriz 16

17 Métodos de fabricação de metais (ii) CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS Fundição molde é preenchido com metal fundido metal é fundido em um forno, com adição de elementos de liga (se necessário) e então vazado em um molde comum e poder ser de baixo custo produtos menos resistentes, defeitos internos boa opção para materiais frágeis 17

18 Métodos de fabricação de metais (iii) CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS Fundição em areia (peças grandes, ex.: blocos de motores) Areia Areia molten metal Que material suporta T >1600ºC, é de baixo custo e fácil de moldar?? Resposta: areia!!! Para criar o molde, areia é moldada ao redor de uma modelo com a geometria desejada 18

19 Métodos de fabricação de metais (iv) CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS Fundição por cera perdida (pequeno volume, formas complexas ex: joias, palhetas de turbinas Estágio I Despeja uma barbotina ao redor de um modelo de cera. Barbotina endurece. cera I Estágio II Cera é fundida e retirada do molde, deixando a cavidade do molde. Estágio III Metal fundido é vazado no interior do molde e solidificado. II III 19

20 Métodos de fabricação de metais (v) CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS Fundição em matriz -- grande volume de produção -- ligas com baixa T de fusão Lingotamento contínuo -- geometrias simples (placas retangulares) fundido solidificado 20

21 Métodos de fabricação de metais (vi) CONFORMAÇÃO Metalurgia do pó ponto de contato em baixa T pressão densificação aquecimento área de contato densificação por difusão em T mais elevadas FUNDIÇÃO DIVERSOS Soldagem (quando a produção de uma peça grande é inviável) metal de adição (fundido) metal base (fundido) metal base fundido zona termicamente não afetada não afetada afetada peça 1 peça 2 Zona termicamente afetada: região onde a microestrutura foi alterada Adapted from Fig. 11.9, Callister & Rethwisch 8e. (Fig from Iron Castings Handbook, C.F. Walton and T.J. Opar (Ed.), 1981.) 21

22 Processamento térmico de metais Recozimento: Aquecer até Trecoz, então resfriar lentamente. Alívio de tensões: Reduz tensões resultantes de: - deformação plástica - resfriamento não uniforme - transformações de fases. Processo de recoz.: Eliminar efeitos do trabalho a frio por (recuperação/ recristalização) Tipo de Recozimento Recoz. subcrítico (aços): Prodruzir aços de baixa dureza com boa usinabilidade. Aquecer logo abaixo da T eutetoide e manter por h. Recoz. pleno (aços): Produzir aços para conformação mecânica. Aq. até g e resfriar no forno para obter perlita grossa Normalização (aços): Aquecer aço para permitir recristalização e a formação de grãos menores Based on discussion in Section 11.7, Callister & Rethwisch 8e. 22

23 Tratamento térmico Trajetórias temperatura-tempo a) Recoz. pleno b) Têmpera A P c) Revenido (Martensita revenida) A B Fig , Callister & Rethwisch 8e. b) a) c) 23

24 Dureza, HRC Endurecibilidade -- Aços Endurecibilidade medida da habilidade para formar martensita Ensaio Jominy da extremidade temperada é usado para medir endurecibilidade amostra (aquecido até 100% g) jato de água a 24ºC trecho plano Ensaios de dureza Rockwell C Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from A.G. Guy, Essentials of Materials Science, McGraw-Hill Book Company, New York, 1978.) ASTM A255 Standard Test Method for End-Quenched Test for Hardenability of Steel Gráfico dureza versus distância a partir da extremidade temperada Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Distância a partir da extremidade temperada 24

25 Dureza, HRC Motivos das mudanças da dureza com a distância A taxa de resfriamento diminui com a distância a partir da extremidade temperada T(ºC) M(início) A M M(fim) distância a partir da extremidade temperada (pol.) 0% 100% Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1977, p. 376.) Tempo (s) 25

26 Dureza, HRC Endurecibilidade vs Composição da liga Curvas de endurecibilidade para for cinco ligas com C = 0,4%p. C Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from figure furnished courtesy Republic Steel Corporation.) Aços liga" (4140, 4340, 5140, 8640) -- contêm Ni, Cr, Mo (0,2 a 2%p.) -- estes elementos deslocam as curvas de transformação para tempos maiores (de A para B) -- mais fácil de formar martensita Taxa de resf. (ºC/s) Distância a partir da extremidade temperada (mm) 800 T(ºC) A B T E %M M(início) M(90%) Tempo (s) 26

27 Influência do meio de resfriamento e da geometria da amostra Influência do meio de têmpera: Meio ar óleo água Severidade da têmpera baixa moderada alta Dureza baixa moderada alta Efeito da geometria da amostra: Quando a razão área de superfície:volume aumenta: -- taxa de resfriamento no interior aumenta -- dureza no interior aumenta Posição centro superfície Taxa de resf. baixa alta Dureza baixa alta 27

28 Endurecimento por precipitação Partículas impedem movimentação de discordâncias. Ex: sistema Al-Cu 700 T(ºC) Procedimento: 600 a -- Pt A: trat. térm. de solubilização A (obter solução sólida a Pt B: têmpera até temp. amb. (reter solução sólida a) -- Pt C: reaqecer para nuclear pequenas partículas de q no interior da fase a. Outros exemplos: Cu-Be Cu-Sn Mg-Al Temp. Pt A (solubilização) 400 C a+l L a+q q+l CuAl B (Al) %p. de Cu faixa de composição disponível para endurecimento por precipitação Pt C (q precipitado) Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from J.L. Murray, International Metals Review 30, p.5, 1985.) q Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Pt B Tempo 28

29 LRT (MPa) Influência do tratamento térmico de precipitação na LRT e na %AL Liga de Al 2014 : Máximos nas curvas de LRT. Aumento em T acelera o processo. Mínimos nas curvas de %AL ºC 149ºC 1min 1h 1dia 1mês 1ano Duração do tratamento térmico de precipitação Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, p. 41.) %AL (amostra de 2 pol.) ºC 149ºC 1min 1h 1dia 1mês 1ano Duração do tratamento térmico de precipitação 29

30 Resumo Ligas ferrosas: aços e ferros fundidos Ligas não-ferrosas: -- Ligas de Cu, Al, Ti, e Mg; ligas refratárias; e metais nobres. Técnicas de fabricação de metais: -- conformação, fundição, diversas. Endurecibilidade -- medida de um aço ser endurecido pela formação de martensita -- aumenta com o aumento do teor de elementos de liga. Endurecimento por precipitação -- endurecimento, aumento de resistência devido à formação partículas precipitadas. -- ligas de Al e Mg são endurecíveis por precipitação. 30

31 Bibliografia Callister 8ª edição Capítulo 11 completo Callister 5ª edição Capítulo 11 e 12 completos Outras referência importante Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição Cap. 13 e 14