Ligas Metálicas. Conceitos Gerais

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1 Ligas Metálicas Conceitos Gerais

2 O engenheiro com freqüência precisa tomar decisões que envolvem a seleção de materiais. Para isto ele tem que ter conhecimento das características gerais de uma ampla variedade de metais e de suas ligas. Além disso, o acesso a bases de dados contendo valores das propriedades torna-se necessário.

3 METAIS O MATERIAL Composição O PROCESSO Refino Ligas Metálicas Propriedades Formação da liga Aplicações Técnicas de fabricação Tratamento térmico Conformação Tratamento térmico

4 O MATERIAL METAIS (ligas) Não Ferrosas Ferrosas Aços Ferros Fundidos Baixo Carbono Comum Baixa Liga Alta Resistência Baixa Liga Medio Carbono Comum Alto Carbono Comum Tratavel Térmicamente Alta Liga INOX Aço Ferramenta Ferro Branco Ferro Cinzento Ferro Ductil Ferro Maleável

5 O PROCESSO Processo de conformação Forjamento Laminação Soldagem Extrusão Estiramento

6 Metais Processo de conformação Operações de conformação Fundição Diversas Forjamento Laminação Extrusão Estiramento Soldagem Metalurgia do Pó Areia Matriz Investimento Continua -Formas complexas -Tamanho da peça -Ligas frágeis -Econômico -Baixa ductilidade -Alta temperatura de fusão

7 O AÇO A fronteira entre o ferro e o aço foi definida na Revolução Industrial, com a invenção de fornos que permitiam não só corrigir as impurezas do ferro, como adicionar-lhes propriedades como resistência ao desgaste, ao impacto, à corrosão, etc. Por causa dessas propriedades e do seu baixo custo o aço passou a representar cerca de 90% de todos os metais consumidos pela civilização industrial. Ferro AÇO Carbono Combustivel Redutor encontrado em toda crosta terrestre minério de ferro é um óxido de ferro (misturado com areia fina) Na siderurgia, usa-se carvão mineral, e em alguns casos, o carvão vegetal

8 O AÇO

9 O AÇO As usinas de aço do mundo inteiro segundo o seu processo produtivo, classificam-se: Integradas - que operam as três fases básicas: redução, refino e laminação; Semi-integradas - que operam duas fases: refino e laminação. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata metálica adquiridas de terceiros para transformá-los em aço em aciarias elétricas e sua posterior laminação. Não integradas, que operam apenas uma fase do processo: redução ou laminação. No primeiro caso estão os produtores de ferro gusa, os chamados guseiros. No segundo, estão os relaminadores, geralmente de placas e tarugos, adquiridos de usinas integradas ou semi- integradas e os que relaminam material sucatado. Unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço para fundições. unidades de pequeno porte que se dedicam exclusivamente a produzir aço para fundições.

10 O AÇO O parque siderúrgico brasileiro compõe-se hoje de 26 usinas, administradas por 8 grupos empresariais. 1. ArcelorMittal Brasil - incluindo a ArcelorMittal Inox Brasil, ArcelorMittal Aços Longos e ArcelorMittal Tubarão; 2. Grupo Gerdau; 3. CSN; 4. Grupo Usiminas; 5. SINOBRAS; 6. V&M do Brasil; 7. Villares Metals; 8. Votorantim Siderurgia; Em função dos produtos que preponderam em suas linhas de produção, as usinas podem ser assim classificadas: 1. De semi-acabados (placas, blocos e tarugos) 2. De planos aços carbono (chapas e bobinas) 3. De planos aços especiais / ligados (chapas e bobinas) 4. De longos aços carbono (barras, perfis, fio máquina, vergalhões, arames e tubos sem costura) 5. De longos aços especiais / ligados (barras, fio-máquina, arames e tubos sem costura)

11 PRODUÇÃO MUNDIAL

12 Nomenclatura "American Iron and Steel Institute -AISI "Society of Automotive Engineers - SAE "Unifield Numbering System - UNS" Designação AISI-SAE 10XX 11XX 12XX 15XX 13XX 40XX 41XX 43XX 46XX 47XX 48XX 51XX E51100 E XX 86XX 87XX 88XX BXX 51B60 81B45 94BXX Tipos de Aço UNS G10XXX Aços-carbono comuns G11XXX Aços de usinagem fácil, com alto S G12XXX Aços de usinagem fácil, com alto P e S G15XXX Aços-Mn com manganês acima de 1% G13XXX Aços-Mn com 1,75% de Mn médio G40XXX Aços-Mo com 0,25% de Mo médio G41XXX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo G43XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo G46XXX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo G47XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo G48XXX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo G51XXX Aços-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr G51986 Aços-cromo (forno elétrico) com 1% de Cr G52986 Aços-cromo (forno elétrico) com 1,45% de Cr G61XXX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V mín. G86XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo G87XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo G88XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo G92XXX Aços-Si com 1,8% a 2,2% de Si G50XXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro G51601 Aços-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro G81451 Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro G94XXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABTN, por intermédio das normas NBR 6006 (102) classifica os aços-carbono e os de baixo teor em liga segundo os critérios adotados pela AISI e SAE.

13 AÇOS Baixo Carbono V, Ni, Mo, Cu até 10% Aumenta a dureza da Ferrita - Menos que 0,25% de carbono - Ruim para tratamento térmico - mole e fraco - Ductil e tenaz - Boa usinabilidade - Baratos

14 AÇOS Médio Carbono Cr, Ni e Mo - entre 0,25% e 0,6% de carbono - Bom para tratamento térmico - mais resistentes - menos Ductil e tenaz - melhor resistência à abrasão

15 AÇOS Alto Carbono - entre 0,60% e 1,40% de carbono - Elevada Dureza - menos Ductil e tenaz - Elevada resistência à abrasão -

16 AÇOS Inoxidável Martensítico Trataveis térmicamente Ferrita Austenítica Não tratáveis térmicamente

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18 Ferro Fundido

19 Resfriamento Mg/Ce Rápido Moderado Lento Moderado Lento Ferro Fundido Branco Ferro Fundido Cinzento Perlítico Ferro Fundido CinzentoFerritico Ferro Fundido Ductil Perlitico Ferro Fundido DuctilFerritico Resfriamento Reaquecimento a ~700ºC por 30 h Rápido Lento Ferro Fundido Maleável Perlitico Ferro Fundido Maleável Ferritico

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21 FERRO FUNDIDO NODULAR

22 Cobre e ligas O cobre é normalmente usado em sua forma pura, mas também pode ser combinado com outros metais para produzir uma enorme variedade de ligas. Cada elemento adicionado ao cobre permite obter ligas com diferentes características tais como: maior dureza, resistência a corrosão, resistência mecânica, usinabilidade ou até para obter uma cor especial para combinar com certas aplicações. Cobre Puro Ductil e mole dificil de ser usinado - grande capacidade conformação a frio - resistente à corrosão Matérias primas comerciais -Calcocita (Cu 2 S) 79% Cu -Calcopirita (CuFeS 2 ) 34% Cu Ligas de cobre Busca por melhoria nas propriedades - a maioria das ligas não pode ser endurecida por tratamento térmico - as propriedades podem ser melhoradas por mecanismos de deformação - as propriedades podem ser melhoradas pela formação de solução sólida

23 Cobre e ligas Minas a ceu aberto Minas subterâneas Moagem e flotação Produto com 30% cobre Fusão (oxidação de Ferro e enxofre) Produto com 60% cobre MATTE Purificação Produto com 98% cobre Refino Produto com 99,9% cobre BLISTER

24 Cobre e ligas Cobre Zinco Esta combinação pertence ao grupo dos latões e o conteúdo de zinco varia de 5% a 45%. Esta liga é utilizada em moedas, medalhas, bijuterias, radiadores de automóvel, ferragens, cartuchos, diversos componentes estampados e conformados e - Estrutura CFC mole - Estrutura CCC - duras - Deformação a frio - Deformação a quente

25 Cobre e ligas Bronze Ligas de cobre contendo Estanho, Aluminio, silicio ou niquel Cobre Estanho A combinação destes metais forma o grupo dos bronzes e o conteúdo de estanho pode chegar a 20%. É utilizado em tubos flexíveis, torneiras, varetas de soldagem, válvulas, buchas, engrenagens Cobre Alumínio Cobre Niquel Esta liga é conhecida como cuproníquel e o conteúdo de níquel pode variar de 10% a 30%. É utilizada em cultivos marinhos, moedas, bijuterias, armações de lentes etc. As ligas que normalmente contém entre 45% a 70% de cobre, e de 10% a 18% de níquel, sendo o restante constituído por zinco, recebem o nome de alpacas. Por sua coloração, estas ligas são facilmente confundidas com a prata. São utilizadas em chaves, equipamentos de telecomunicações, decoração, relojoaria, componentes de aparelhos óticos e fotográficos etc. Esta liga normalmente contém mais de 10% de alumínio. É utilizada em peças para embarcações, trocadores de calor, evaporadores, soluções ácidas ou salinas etc. Cobre Berílio Podem ser endurecidas por precipitação. Apresentam elevado limite de resistência à tração, boas propriedades elétricas e resistência à corrosão. Possuem teores de 1 a 2,5% de Berílio, e por este motivo são caras. Usados para a produção de mancais e buchas de trem de pouso de aeronaves a jato, molas e instrumentos cirúrgicos em odontologia.

26 Trabalhadas Fundidas

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28 Alumínio e ligas A fonte primária do alumínio é um minério chamado bauxita. Um minério é qualquer sólido de ocorrência natural do qual se possa obter metal ou mineral valioso. Os depósitos de bauxita surgem como camadas lisas localizadas perto da superfície terrestre. Tem como vantagens a baixa densidade, condutividade térmica e elétrica elevadas e resistência à corrosão. Boa ductilidade e capacidade de conformação, mesmo em temperaturas mais baixas. Defeito : baixa temperatura de fusão Fundidas Ligas de Alumínio -Aumenta a resistência mecânica Forjadas - Diminui a resistência à corrosão - Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e Zn - Em algumas ligas o endurecimento ocorre por tratamento térmico - Tratamento térmico promove a precipitação de fases que promovem o endurecimento

29 A obtenção do alumínio ocorre pela redução da alumina calcinada em cubas eletrolíticas, a altas temperaturas, no processo conhecido como Hall-Héroult. São necessárias duas toneladas de alumina para produzir uma tonelada de metal primário pelo processo de Redução. A alumina é dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumínio em baixa tensão, decompondo-se em oxigênio; O oxigênio se combina com o ânodo de carbono, desprendendo-se na forma de dióxido de carbono, e em alumínio líquido, que se precipita no fundo da cuba eletrolítica; O metal líquido (já alumínio primário) é transferido para a refusão através de cadinhos; São produzidos os lingotes, as placas e os tarugos de metal primário.

30 Composição Alumínio e ligas Fornecimento Fundição Liga 1xxx: Indústrias química e elétrica Liga 2xxx: Aeronaves (graças a sua elevada resistência mecânica) Liga 3xxx: Aplicações arquitetônicas e produtos de uso geral Liga 4xxx: Varetas ou eletrodos de solda e chapas para brasagem Liga 5xxx: Produtos expostos à atmosfera marinha como cascos de barcos Liga 6xxx: Produtos estudados de uso arquitetônico Liga 7xxx: Componentes estruturais de aeronaves e outras aplicações que necessitam de elevados requisitos de resistência. Esta liga é a que possui a maior resistência mecânica entre as ligas de alumínio.

31 Alumínio e Ligas Ligas Al-Cu conhecidas como ligas da série 2XXX (trabalhadas) e 2XX.X (fundidas), são as ligas de alumínio de desenvolvimento mais antigo. Essas ligas até hoje são conhecidas como duralumínio. É uma liga que contém 4 % de cobre, 0,5 % de magnésio e 0,7 % de manganês, nas quais a simples introdução desses elementos de liga já eleva a resistência à tração. O tratamento térmico ainda permite aumentar ainda mais a resistência à tração. Pode receber outros elementos de liga Ligas Al-Mg As ligas Al-Mg (série 5XXX) constituem um importante grupo de ligas de alumínio não tratáveis termicamente. O endurecimento pode ser obtido por solução sólida e encrua mento (trabalho mecânico). As ligas Al-Mg são aquelas que possuem a melhor combinação de resistência mecânica, resistência à corrosão e ductilidades, possuindo propriedades mecânicas intermediárias entre as das ligas da série 3XXX (Al-Mn) e as ligas endurecíveis por precipitação (Al- Cu, Al-Mg-Si e Al-Zn-Mg, séries 2XXX, 6XXX e 7XXX respectivamente) Ligas Al-Mg-Si Nas ligas da série 6XXX o magnésio e o silício combinam-se para formar o composto intermetálico Mg2Si, é o responsável pelo endurecimento dessas ligas.

32 Alumínio e Ligas Ligas Al-Mn As ligas Al-Mn (série 3XXX) não são endurecíveis por precipitação, ou sejam, não obtêm nenhum ganho de dureza mediante tratamento térmico. Somente podem ser endurecidas por encrua mento (trabalho mecânico). Entretanto, as ligas contendo mais de 1 % de manganês, 3003, muito utilizada na fabricação de panelas, possuem considerável importância comercial. A 3004, utilizada na fabricação de latas para acondicionamento de bebidas. Ligas Al-Si As ligas do sistema Al-Si, também consideradas não tratáveis termicamente, são muito mais utilizadas como ligas de fundição (série 4XX.X),para a fabricação de peças fundidas, como pistões para motores de automóveis e aviões, mas também encontram algumas aplicações como produtos trabalhados, como metais de adição para soldagem (caso da liga 4043), principalmente, embora também possam ser usados para a fabricação de pistões forjados e também em algumas aplicações arquitetônicas. O amplo uso das ligas Al-Si em aplicações nas quais a qualidade da estrutura resultante da solidificação é tão importante (fundição e soldagem) está relacionado com as características que o, o silício, confere às ligas de alumínio. O silício é usado em teores de até 12 ou 13 % e aumenta a fluidez do alumínio líquido permitindo que o mesmo flua melhor através das cavidades do molde de fundição.

33 Ligas hipoeutéticas As ligas hipoeutéticas possuem teores de silício abaixo de 12,6%, Estas ligas, por possuírem um menor teor de silício, tendem a uma solidificação pastosa devido a solidificação dendrítica, além de um maior intervalo de solidificação ( C). Ligas eutéticas As ligas eutéticas são ligas com teor de silício mais elevado chegando de 11 a 13%, esta liga não tem uma solidificação pastosa, ocorrendo então a transformação líquido sólido diretamente. Ligas hipereutéticas Apesar de pouco utilizadas no processo de fundição sob pressão, as ligas hipereutéticas, com teores de silício acima de 13%, tem como principal característica a formação de plaquetas de silício primário durante a solidificação, estas plaquetas aumentam a dureza do material e conseqüentemente dão maior resistência ao desgaste às ligas de alumínio

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36 Magnésio e Ligas As ligas de magnésio possuem boas características de resistência mecânica, módulo de elasticidade e baixa densidade ( 1,7 g/cm3 ), além de uma baixa relação resistência. Estas propriedades dão ao magnésio uma vasta utilização em aplicações estruturais. O magnésio possui, também, boas condutibilidades elétrica e térmica, e absorção às vibrações elásticas. -Baixo ponto de fusão 650º.C -Na temperatura ambiente são dificeis de serem conformados Fundidas -Conformação, em geral por processos a quente -boa resistência à corrosão em atmosferas pouco agressivas -Não é adequado para aplicações em meios agressivos -Na forma de pó sofre ignição com facilidade Forjadas As ligas de magnésio são largamente utilizadas na indústria aeronáutica em componentes de motores, na fuselagem e em trens de aterrisagem, por exemplo. Encontra aplicação, também, na indústria automobilística (caixas de engrenagem, rodas, colunas de direção), indústria bélica (mísseis) e em alguns componentes eletro-eletrônicos.

37 ASTM Primeira Parte (elementos de liga) : A : Alumínio B : BismutoC : Cobre D : Cádmio E : Terras raras F : Ferro G : Magnésio H : Tório K : Zircônio L : Lítio M : Manganês N : Níquel P : Chumbo Q : Prata R : Cromo S : Silício T : Estanho W : Ítrio Y : Antimônio Z : Zinco Terceira Parte: Distingue ligas com o mesmo teor de elementos de liga A : primeira liga registrada na ASTM B : segunda liga registrada na ASTM C : terceira liga registrada na ASTM D : liga de alta pureza E : liga de alta resistência à corrosão X1: liga não registrada na ASTM Quarta Parte: Indica condição do tratamento térmico ou mecânico F : não tratado O : recozido H10 e H11 : levemente encruado H23, H24 e H26 : encruado e parcialmente recozido T4 : tratamento térmico de solubilização T5 : envelhecido artificialmente T6 : tratamento térmico de solubilização e envelhecido artificialmente T8 : tratamento térmico de solubilização, trabalhado a frio e envelhecido artificialmente o sistema de numeração unificado (UNS) reserva as designações de M10001 até M19999 para as ligas de magnésio Liga AZ91A-T6 AZ : significa que o alumínio e o zinco são os dois principais elementos de liga 91 : indica os percentuais de alumínio (9%) e zinco (1%) presentes na liga A : indica que esta liga foi a primeira a ser registrada na ASTM com estas quantidades de alumínio e zinco T6 : indica que a liga sofreu tratamento térmico de solubilização e foi envelhecida artificialmente

38 ASTM - Exemplo

39 Titânio e Ligas Material de engenharia de aplicação relativamente recente, o Titânio possui uma densidade razoavelmente baixa (4,5 g/cm3), um elevado ponto de fusão (1668 C) e um bom módulo de elasticidade (107 Gpa). Suas ligas são bastante resistentes, chegando a atingir valores de limite de resitência à tração de 1400 Mpa em temperatura ambiente, além de possuírem boa ductilidade e boas usinabilidade e forjabilidade. Sua maior limitação é uma elevada reatividade química com outros elementos em elevadas temperaturas, o que levou ao desenvolvimento de uma série de ligas especiais que elevam o custo do material. A principal característica do Titânio, entretanto, é a sua elevada resistência à corrosão em temperatura ambiente, o que o torna praticamente imune ao ar, à atmosfera marinha e a uma grande variedade de atmosferas industriais. Além disso, o Titânio é biocompatível, o que o torna uma alternativa altamente utilizada na área biomédica. O Titânio possui uma série de aplicações em tecnologia de ponta. Suas características de resistência à corrosão, resistência mecânica e densidade são determinantes na escolha das suas ligas. Entre as suas muitas aplicações podem ser citadas: em componentes de turbinas à gás; vasos de pressão aeroespaciais; como material estrutural nas indústrias aeronáutica, automobilística e marinha; em carcaças de submarinos; conteiners de lixo nuclear; estruturas de suporte para sistemas óticos sujeitos a grandes variações de temperatura; implantes e próteses; bens de consumo (pulseiras de relógios, tacos de golfe, etc.), entre outras.

40 Titânio e Ligas classificações no sistema da ASTM : não-ligados (Titânio em diferentes níveis de pureza), ligas a, ligas a-b e ligas b. A designação é feita com alusão direta às quantidades de elementos de liga presentes. Ti-0.3Mo-0.8Ni, uma liga a com as quantidades de Molibdênio e Níquel indicadas diretamente na designação da liga.

41 SUPERLIGAS O desenvolvimento das chamadas superligas, de níquel, de cobalto e de ferro começou nos Estados Unidos nos anos 1930, porém ao longo dos anos as superligas de níquel tornaram-se as mais utilizadas. Além das turbinas de jatos, as superligas de níquel encontram aplicações variadas em altas temperaturas, como em motores de foguetes e veículos espaciais em geral, reatores nucleares, submarinos, usinas termoelétricas, equipamento petroquímico, por exemplo. Entretanto, a principal aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviação. excelente resistência mecânica num amplo intervalo de temperaturas Essa capacidade de endurecimento dessas ligas austeníticas de níquel, de cobalto e de ferro as torna adequadas para diferentes aplicações a maioria das superligas apresenta boa dutilidade em geral apresentam também boa resistência ao impacto, à fadiga de alto e de baixo ciclo e à fadiga térmica grande solubilidade de muitos elementos de liga na matriz austenítica e a capacidade de controle da precipitação de fases intermetálicas Componentes majoritários Niquel, Cobalto ou Ferro Elementos de liga Nb, Mo, W, Ta (metais refratários) Cr, Ti

42 METAIS NOBRES OUTRAS São oito metais Ouro - Prata - Platina - Paládio - Ródio - Rutenio - Iridio - Ósmio Nique e ligas monel (65% Ni-28% Cu) Chumbo Estanho e ligas material de solda Chumbo Barreiras para Raios-X Estanho Revestimento de latas alimentícias Zinco Menos resistentes a corrosão Usado em aços galvanizados

43 Ligas com memória de forma Capazes de retornar à sua forma original depois de terem sido deformadas pela aplicação de calor = metais com efeito térmico de memória. Antenas de telefonia celular Armações de óculos Aparelhos ortodônticos Próteses cardíacas Estruturas de segurança automotiva Tanques de combustíveis Asas de avião. Yuuki Tanaka e seus colegas voltaram sua atenção para as ligas policristalinas à base de ferro, bem conhecidas por sua resistência, e descobriram que elas podem se recuperar de deformações de mais de 13% a temperatura ambiente, voltando à sua forma original. A capacidade de recuperação de forma das ligas policristalinas de ferro supera largamente as mais eficientes conhecidas até hoje, feitas de ligas de níquel e titânio, que apresentam uma capacidade de recuperação de deformações de apenas 8% - além de serem muito mais caras.

44 Ligas de elevada entropia Uma nova liga metálica de alta entropia alcançou uma relação resistência/peso maior do que qualquer outro material metálico conhecido. Ligas metálicas de alta entropia são materiais que consistem de cinco ou mais metais em quantidades aproximadamente iguais. Estas ligas são atualmente foco de atenção significativa em ciência e engenharia de materiais porque apresentam propriedades de grande interesse na indústria. Lítio Magnésio Titânio alumínio Escândio alta entropia baixa densidade resistência muito elevada.

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