MATERIAIS METÁLICOS AULA 4

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO I E (TEC 156) MATERIAIS METÁLICOS AULA 4 Profª. Cintia Maria Ariani Fontes 1

2 METAIS FERROSOS Contêm uma percentagem elevada de ferro em sua composição química, sendo este elemento o seu principal constituinte Vantagens São facilmente adaptáveis a qualquer situação de uso devido a sua variedade de propriedades físicas e mecânicas Desvantagens Susceptíveis à corrosão Exemplos: Aço e o ferro fundido 2

3 MATERIAIS METÁLICOS Produção do aço Matérias primas da industria siderúrgica Minério de ferro Carvão Calcário Minério de ferro Óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos são minerais que contêm ferro em quantidade apreciável 3

4 MATERIAIS METÁLICOS Produção do aço Produção em alto-fornos Minério de ferro Tipos mais importantes para a indústria siderúrgica Magnetita (óxido ferroso-férrico) Fe 3 O 4 (72,4% Fe). Hematita (óxido férrico) Fe 2 O 3 (69,9% Fe) - Limonita (óxido hidratado de ferro) 2FeO 3.3H 2 O (48,3% Fe) O Brasil possui grandes reservas de minério de ferro com alto teor de ferro Composição Parte útil parte que contém o ferro Ganga impurezas sem valor direto Estéril rocha onde o minério é encontrado 4

5 MATERIAIS METÁLICOS Produção do aço Produção em alto-fornos Carvão Função Fornecedor de calor para a combustão Fornecedor do carbono para a redução de óxido de ferro Fornecedor de carbono como principal elemento de liga do ferro gusa Tipos carvão coque ou carvão vegetal Coque - consiste no aquecimento de carvão mineral a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente fechadas, libera gases de sua estrutura Vegetal - Ou de madeira é fabricado mediante pirólise da madeira 5

6 MATERIAIS METÁLICOS Produção do aço Produção em alto-fornos Calcário (CaCO 3 ) Usado como fundente Tem a função de combinar-se com as impurezas (ganga) do minério e com as cinzas do carvão, formando as chamadas escórias Outras matérias primas Minério de manganês As ferro-ligas de silício, cromo, vanádio, molibdênio, níquel, tungstênio, titânio, etc. A sucata de aço, ou seja, subprodutos da fabricação de aço e itens ou componentes de aço desgastados, quebrados ou descartados 6

7 Processo de produção do aço Usinas siderúrgicas classificam-se em: integradas e semiintegradas Etapas de redução, refino e laminação: integradas Refino e laminação: semi-integradas Etapa de redução: Ocorre nos alto-fornos. Redução do oxigênio e outras impurezas existentes no minério de ferro. Para isso utiliza-se como combustível o coque ou carvão vegetal 7

8 Processo de produção do aço Etapa de redução: Utiliza-se calcário para captar impurezas no minério Forma-se a escória de alto-forno, muito utilizada pelas indústrias cimenteiras Resulta desse processo o ferro-gusa etapa de refino 8 Etapa de refino: Ocorre na Aciaria Ferro-gusa recebe adições de ligas metálicas específicas e injeção de oxigênio, transformando-se em aço A quantidade desses materiais varia conforme composição química desejada

9 Processo de produção do aço Etapa de laminação Processo de deformação mecânica Responsável pela redução da seção do tarugo Produção de barras de aço, chapas, perfis, cantoneiras, etc. 9

10 10 Processo de produção do aço

11 CLASSIFICAÇÃO Metais Ferrosos Aços Ferro-fundido Ligas de natureza complexa Contém entre 0,008 e 2,11% de carbono Contém outros elementos secundários (Si, Mn, P, S) devido ao processo de fabricação As propriedades variam com o teor de carbono Ligas de Fe-C-Si, com teor de carbono > 2,14% geralmente contém entre 3,0 e 4,5% Deve resultar teor de carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita Fase líquida obtida entre 1150 e 1300ºC facilidade de fusão da liga 11

12 CLASSIFICAÇÃO Metais Ferrosos Aços Ferro-fundido Baixa Liga Alta Liga Cinzento Branco Baixo teor de carbono C<0,25% Comum Alta resistência Dúctil (nodular) Maleável 12 Médio teor de carbono 0,25<C<0,60% Alto teor de carbono 0,60<C<1,40% Comum Tratável termicamente Comum Ferramenta Inoxidável

13 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Ferro puro antes de fundir Ferrita ou ferro α T ambiente a 912ºC Estrutura CCC Austenita ou ferro γ 912ºC a 1394ºC Estrutura CFC Ferrita δ 1394ºC a 1538ºC Estrutura CCC Cementita (Fe 3 C)

14 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Diagrama de fases Aços hipoeutetóides Aços com menos de 0,76% de carbono Constitiuidos de perlita e ferrita à temperatura ambiente Aços hipereutetóides Aços com mais de 0,76% de carbono Constitiuidos de perlita e cementita à temperatura ambiente

15 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Diagrama de fases Carbono é uma impureza intersticial no ferro solução sólida com a ferrita α e δ e austenita Ferrita α Solubilidade máxima de C 0,022% (727ºC) Austenita o Forma e tamanho das posições intersticiais na estrutura CCC o Influência significativa nas propriedades mecânicas da ferrita Instável para T < 727ºC Mole, magnética (T < 768ºC) e densidade de 7,88g/cm 3 Solubilidade do C de 2,14%p (T = 1147ºC) Posições intersticiais maiores (CFC), deformações nos átomos de ferro são menores Não magnéticas

16 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Diagrama de fases Ferrita δ Não tem importância tecnológica Cementita Limite de solubilidade é excedido na ferrita α e austenita Dura e frágil Quando presente, aumenta a resistência de alguns aços

17 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Microestrutura Depende do teor de carbono e do tratamento térmico Exemplo: liga com composição eutetóide (0,76%C) Fase austenita (acima de S) Mudanças ocorrem abaixo da temperatura eutetóide (727ºC) Camadas alternadas de ferrita α + Fe3C (perlita) Perlita: propriedades entre a ferrita mole e dúctil e a cementita dura e frágil

18 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Microestrutura Perlita Perlita Resistência à tração e de escoamento e dureza de Brinell cementita ferrita Ductilidade e tenacidade dura frágil mole dúctil

19 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Microestrutura São produtos da transformação austenítica Bainita (ferrita e cementita): agulhas ou placas o Mais resistentes e duros que os aços perlíticos o Apresentam resistência e ductilidade desejável Cementita globulizada: microestrutura perlita ou bainita aquecida a temperatura inferior a eutetóide, permanecendo por até 24h o Menor área de contornos deformação plástica sem restrição (material mole e fraco) o Extremamente dúcteis e tenazes

20 Sistema Ferro Carbono ou Carbeto de ferro Microestrutura Martensita: resfriamento rápido de ligas austenizadas de forma a impedir a difusão do carbono. Caso contrário, formação das fases ferrita e cementita o Mais dura e mais resistente e mais frágil. Ductilidade desprezível o Característica não estejam associadas a sua microestrutura. Restrição dos movimentos de discordâncias pelos átomos de carbono intersticiais o Recuperação da ductilidade e tenacidade: tratamento térmico conhecido por revenido o Aquecimento do aço martensítico abaixo da temperatura eutetóide por tempo definido. Alívio de tensões e processo de difusão do carbono formando a cementita e a ferrita. MARTENSITA REVENIDA

21 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Baixa liga) Aços com baixo teor de carbono - COMUM Aços mais produzidos no mundo Contêm teores de carbono inferiores a 0,25% Sua microestrutura é composta de ferrita e perlita São ligas relativamente moles e fracas, porém possuem elevados valores de ductilidade e tenacidade Em geral possuem: Limite de escoamento: 275MPa Limite de resistência à tração entre 415 e 550MPa Ductilidade de 25% (alongamento) 21

22 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Baixa liga) Aços com baixo teor de carbono COMUM São usináveis, soldáveis, além de serem os mais baratos para serem produzidos Aplicações: carcaças de automóveis, formas estruturais (perfis I e H e cantoneiras) e chapas (tubulações, edificações, pontes, etc.) Aços com baixo teor de carbono - AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL) Contêm outros elementos em sua liga Cobre, vanádio, níquel e molibdênio em teores que podem chegar a 10% geralmente < 3% 22

23 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Baixa liga) Aços com baixo teor de carbono - AÇO DE ALTA RESISTÊNCIA E BAIXA LIGA (ARBL) Limite de resistência à tração superior devido a tratamento térmico > 480 MPa São dúcteis, conformáveis e podem ser soldados com facilidade Quando apresentam elevada resistência à corrosão atmosférica são conhecidos como aços patináveis (camada de óxido compacta e aderente) Aços com médio teor de carbono Teor de carbono em torno de 0,25 e 0,60% São mais resistentes que os aços com baixo teor de C, porém comprometem um pouco a ductilidade e tenacidade do material 23

24 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Baixa liga) Aços com médio teor de carbono Podem ser tratados termicamente para melhorar suas propriedades mecânicas Produção de peças com seções delgadas e com taxas de resfriamento rápido Uso de elementos de liga como, cromo, níquel e molibidênio melhoram a capacidade do aço ser tratado termicamente Aplicações Rodas e trilhos de trem, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas e componentes estruturais de alta resistência 24

25 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Baixa liga) Aços com elevado teor de carbono Teor de carbono entre 0,6 e 1,4% São duros e mais resistentes, porém menos dúcteis São resistentes à abrasão Os aços para ferramentas são aços contendo outros elementos, como, cromo, vanádio, tungstênio e molibidênio Esses elementos combinam com o carbono formando carbetos muito duros e resistentes à abrasão Aplicações Ferramentas de corte, molas, arames de alta resistência, componentes agrícolas de alta resistência 25

26 26 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Alta liga) Aço inoxidável Resistentes a corrosão Esta característica pode ser melhorada com a adição de Ni e Mb Elemento de liga predominante é o cromo Teor acima 10,5% Confere a formação de camada passiva (Cromo III) Camada que protege o aço contra a corrosão atmosférica Impermeável ao ar e à água Película com capacidade regenerativa O níquel, molibidênio e o vanádio também contribuem para a passivação Existem mais de 150 tipos de aços inoxidáveis, dos quais 15 tipos são mais comuns

27 27 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Alta liga) Aço inoxidável Microestrtura apresenta três classes Austenítica (CFC) Possuem 0,15% de carbono e no mínimo 16% de cromo e níquel e/ou manganês o Retém a estrutura austenítica até o ponto de fusão da liga o Composição típica 18%Cr e 10%Ni Inox 18/10 Aço de maior resistência à corrosão e não magnético Não pode ser tratado termicamente Martensítica Possui alta resistência mecânica e pode ser tratado termicamente Ligas de cromo (12 a 14%), molibidênio (0,2 a 1%), níquel (0 a 2%) e carbono (0,2 a 1%) Quanto maior o teor de carbono, maior a fragilidade do aço

28 MATERIAIS METÁLICOS Aços (Alta liga) Aço inoxidável Microestrtura apresenta três classes Ferrítica (CCC) São compostos da fase ferrita-α Ligas de cromo (10,5 a 27%) e muito pouco níquel Grande parte das ligas incluem molibidênio, alumínio ou titânio Não podem ser tratados termicamente Ferríticos e austeníticos são endurecidos e tem sua resistência mecânica aumentada por deformação plástica à frio Aplicações Cutelaria, utensílios domésticos, instrumentos cirúrgicos, equipamentos industriais, industria aeroespacial e automotiva e em edificações 28

29 Site Gerdau 29