Ciência dos materiais Aula 8. Profª Mª Patrícia Cristina Costa Ladeira

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1 Ciência dos materiais Aula 8 Profª Mª Patrícia Cristina Costa Ladeira patricialadeira@aedu.com patricia.ladeira@yahoo.com.br

2 Materiais metálicos e ligas 2 Ferrosos Materiais e ligas que possuem o Fe como principal constituinte (elemento majoritário) Não ferrosos Materiais e ligas em que o Fe não é o elemento principal

3 Materiais ferrosos 3 Produzidos em maior quantidade Disponibilidade de matéria-prima Facilidade de conformação Viabilidade econômica Versatilidade Desvantagens Alta densidade Suscetibilidade à corrosão

4 Materiais ferrosos 4 Principal elemento de liga é o C Aços até 2,14 %p de C Ferro fundido acima de 2,14 %p de C Aços Podem ter outros elementos de liga: W, Ni, Cr, Co, Mo etc para melhorar propriedades Propriedades dependem do teor de C (maior teor de C, mais duro e menor dúctil) Baixo carbono até 0,25 %p de C Médio carbono 0,25 a 0,6 %p de C Alto carbono acima de 0,6 %p de C

5 Código dos aços 5 Códigos segundo ASTM, AISI e SAE AISI/SAE Número de 4 dígitos, dois primeiros dizem o tipo da liga e os dois últimos é a concentração de C vezes 100 Ex: 1010 aço carbono com 0,10 %p de C Especificação UNS (United numbering system) Ligas ferrosas e não ferrosas Cada família é representada por uma letra + número ASTM + 0 Ex: aço 1020 ASTM/AISI = aço G10200

6 Aço baixo carbono 6 Mais produzido Resistência Não pode ser aumentada com tratamentos térmicos Pode ser aumentada com trabalho a frio Microestrutura Ferrita e Perlita Macios, pouco resistentes, dúcteis, maleáveis e tenazes

7 Aço baixo carbono 7 Podem ser soldados e usinados São baratos de se produzir Aplicações Construção de edifícios Pontes Perfis estruturais Carcaças Componentes automotivos, etc

8 Aço baixo carbono 8

9 Aços de alta resistência e baixa liga 9 HSLA ou ARBL Elementos de liga comuns: Cu, V, Ni, W, Cr, Mo etc Respondem à tratamento térmico para aumento de resistência Maior resistência à corrosão

10 Aços de alta resistência e baixa liga 10

11 Aços médio carbono 11 Mais resistentes e menos dúcteis que os de baixo carbono Baixa temperabilidade Possível realizar tratamento em peças finas e com alta taxa de resfriamento Elementos de liga melhoram essa propriedades (Ni, Cr, Mo) Aplicações Vias e rodas férreas Componentes estruturais de alta resistência Engrenagens e virabrequins

12 Aço alto carbono 12 Mais resistentes e duros Pouco dúcteis Aplicados endurecidos ou revenidos Resistentes ao desgaste Forma carbonetos duros e resistentes com elementos como Cr, V, Mo, W Aplicações Facas, Lâminas de barbear, Lâminas de serra etc

13 Aço inoxidável 13 Pelo menos 11%p de Cr Três classes Ferríticos: Fe-Cr-C com 12-14%p de Cr e pequenas quantidades de outros elementos (Mo, V, Nb, Ni) Austeníticos: 18%p de Cr e 8%p de Ni Martensíticos: temperados para obter martensita Aplicações Exaustão automotiva Câmaras de combustão Construções com solda, etc

14 Ferros fundidos 14 Mais que 2,14%p de C Na prática: 3 a 4,5%p de C Fundem à temperatura mais baixa que os aços Fe 3 C (cementita) Fase metaestável, dura e quebradiça Presente nos ferros fundidos e em condições de formar ferrita e grafita

15 Ferros fundidos 15 Tendência a formar grafita depende da composição e taxa de resfriamentos Dependendo da forma que o C está presente, podem ser classificados em: Cinzento Nodular Vermicular Branco Maleável

16 Ferros fundidos 16 Ferro cinzento Grafita em floco envolvida por ferrita ou perlita Superfície fraturada acinzentada por causa da grafita Boas propriedades de amortecimento Aplicações: estrutura de base, cama para máquina pesada etc

17 Ferros fundidos 17 Ferro nodular Adição de Mg e Ce aos ferro cinzento na fundição Forma microestrutura e grafita esferoidal Aplicações: corpos de bomba, eixos de manivela, componentes automotivos

18 Ferros fundidos 18 Ferro branco Silício menor que 1% Resfriamento rápido impede a cementita de se decompor Superfície de fratura esbranquiçada Aplicações: cilindros de laminação

19 Ferros fundidos 19 Ferro maleável Ferro fundido branco tratado a ºC por horas Resfriamento à temperatura ambiente Formação de grafita aglomerada envolvida por ferrita ou perlita Aplicações: estrada de ferro, e serviços pesados

20 Ferros fundidos 20 Ferro vermicular Grafita na forma de vermes em matriz perlítica ou ferrítica/perlítica

21 Ligas não ferrosas 21 Ligas que não possuem ferro como elemento principal na sua composição São fabricados com facilidade e de forma econômica Os materiais de alumínio e cobre se destacam

22 Ligas de alumínio 22 Baixa densidade Altas condutividade térmica e elétrica Boa resistência à corrosão Aplicações: Latas de bebida Peças automotivas Carrocerias Estrutura de aeronaves Podem ter resistência aumentada por precipitação, trabalho a frio ou solução sólida

23 Ligas de cobre 23 Boa resistência a corrosão em diferentes ambientes Podem ser reforçadas com trabalho a frio ou solução sólida Latão (Cu e Zn) e bronze (Cu e Sn) são exemplos de ligas de cobre Aplicações: Bijuterias Moedas Instrumentos musicais Eletrônicos Molas, etc

24 Processamentos 24 São determinados de acordo com alguns aspectos: Propriedades dos metais Tamanho e forma acabada Custo Podemos usar técnicas de conformação, fundição, mineralogia do pó e soldagem

25 Fabricação de metais 25 Conformação Forjamento Laminação Extrusão Trefilação Fundição Areia Matriz Precisão Espuma perdida Contínua Técnicas diversas Metalurgia do pó Soldagem

26 Conformação 26 Na conformação a forma das peças é alterada por meio de deformações plásticas A alteração se dá pela aplicação de tensões externas acima do limite de escoamento Os trabalhos de deformação podem ser a quente ou a frio Trabalho a quente: quando realizado em temperaturas acima da faixa de recristalização. Tem como desvantagens a perda de material por oxidação e acabamento de má qualidade, porém, apresenta manutenção da maciez e ductilidade dos materiais Trabalho a frio: realizado em temperaturas abaixo da faixa de recristalização. Trabalhos a frio causam encruamento, aumentando a resistência e diminuindo a ductilidade dos materiais, porém, possui melhor acabamento q melhor controle das dimensões finais das peças

27 Forjamento 27 Deformação de uma única peça Geralmente à quente Aplicação de golpes sucessivos ou compressão contínua Pode ser de matriz aberta ou fechada Materiais forjados possuem grãos excepcionais e a melhor combinação de propriedades mecânicas Aplicada em chaves, virabrequins, barras de conexão de pistões

28 Laminação 28 Processo mais amplamente utilizado Peças metálicas são passadas entre dois cilindros A redução da espessura se dá pela aplicação das tensões de compressão sobre a peça A laminação à frio é aplicada para fabricação de chapas, folhas finas, tiras

29 Extrusão 29 Uma barra é forçada através de um orifício por força de compressão aplicada com um êmbolo A peça extrudada possui a forma desejada e seção transversal reduzida Podem ser produzidos tubos, barras com geometria complexa, tubos sem costura

30 Trefilação 30 Na trefilação a peça é puxada através de uma matriz com orifício cônico A força aplicada é de tração Obtém-se a redução da área da seção transversal e aumento do comprimento Essa técnica é usada na fabricação de fios, arames, barras etc

31 Fundição 31 O material completamente fundido é derramado sobre um molde com a forma desejada O material solidificado assume a forma do molde, mas sofre compressão Essa técnica é usada quando: A forma acabada é muito grande ou complicada; A liga possui ductilidade muito baixa; Quando é mais viável economicamente comparando-se com outras técnicas A etapa final de refino de metais pode incluir fundição

32 Fundição em molde de areia 32 Provavelmente a mais utilizada A areia comum e usada como material para o molde As duas partes do molde são obtidos pela compactação da areia ao redor de um molde com a forma desejada para a peça Canais de alimentação são incorporados ao molde para acelerar o escoamento da liga para o interior do molde e reduzir defeitos de fundição Aplica-se essa técnica em blocos de cilindros automotivos, hidrantes de incêndio e conexões de tubulações de grandes bitolas

33 Fundição em matriz 33 O metal líquido é forçado para o interior de uma matriz a alta velocidade e sob pressão A solidificação ocorre enquanto mantem-se a pressão aplicada O molde é feito de aço e composto por duas partes Ao fim da solidificação, a matriz é aberta e ejeta-se o material fundido Apresenta baixo custo, por apresentar alta taxa de solidificação e poder reaproveitar a matriz milhares de vezes Aplicada para peças relativamente pequenas e ligas de baixa temperatura de fusão, como as de zinco, alumínio e magnésio

34 Fundição de precisão 34 O modelo é fabricado com cera ou plástico com baixa temperatura de fusão Uma lama fluida é despejada ao redor do modelo para a obtenção do molde quando endurecida O molde é aquecido para derretimento e escorrimento do modelo, gerando uma cavidade onde o metal fundido será derramado Essa técnica é usada para obtenção de peças com alta precisão dimensional, com pequenos detalhes e quando deseja-se excelente acabamento

35 Fundição com espuma perdida 35 O modelo é feito em espuma pela compressão de pelotas de poliestireno que se unem por aquecimento O modelo também pode ser cortado de chapas e montado com cola O molde é feito pela compressão da areai ao redor do modelo Quando o metal é adicionado, ele substitui o modelo que evapora e assume a forma do molde de areia Obtém-se peças de alta precisão e geometria complexa Gera menor resíduo que a fundição em areia e é mais simples Utiliza-se para peças de ferro fundido e ligas de alumínio Podem ser fabricados blocos de motores automotivos entre outras peças

36 Fundição contínua 36 Após a extração, muitos metais fundidos são solidificados em lingoteiras Os lingotes são normalmente laminados a quente Esses dois processos podem ser combinados, realizando uma fundição contínua O metal fundido é moldado na forma de uma fita contínua e a solidificação é realizada em matrizes resfriadas com água Materiais fundidos dessa forma possuem composição e propriedades uniformes em toda sua extensão Essa fundição é automatizada

37 Metalurgia do pó 37 Pós metálicos são compactados e aquecidos para obtenção de materiais densos É possível conseguir peças virtualmente sem poros e propriedades equivalentes a dos materiais de origem A difusão é fundamental para a obtenção dessas propriedades Aplica-se para: Materiais com baixa ductilidade Alta temperatura de fusão Peças com tolerância dimensional muito restritas

38 Soldagem 38 Aplicada quando a fabricação de uma peça única é cara ou inconveniente A ligação se dá por difusão, sendo metalúrgica, não apenas física, como quando usamos rebites e parafusos Há diferentes técnicas de soldagem Na solda por arco e maçarico as peças a serem unidas e o material de enchimento são aquecidos até fundição O material de enchimento forma uma junção fundida entre as peças de trabalho O material próximo a solda pode sofrer alteração microestrutural afetando as propriedades mecânicas nessa região A solda a laser é uma técnica moderna na qual um laser é usado como fonte de calor fundindo a região a ser unida A soldagem a laser apresenta algumas vantagens em relação a outras técnicas, como a possibilidade de uso em peças pequenas

39 Bibliografia 39

40 Conceitos básicos

41 Diagrama de fases de um componente

42 Sistemas isomorfos binários

43 Sistemas eutéticos binários

44 Desenvolvimento de microestrutura

45 Desenvolvimento de microestrutura

46 Desenvolvimento de microestrutura

47 Sistema ferro-carbono

48 Transformação isotérmica Considerando-se uma liga Fe-C eutetóide (com 0,76%p C), toda a austenita pode ser transformada em perlita (composta por ferrita e cementita) A transformação pode ocorrer em diferentes temperaturas, sendo mais rápidas ou mais lentas, como mostrado no gráfico

49 Transformação isotérmica Os gráficos de transformação em função do tempo para diferentes temperaturas podem ser unidos em um único diagrama de transformação-tempo-temperatura (T-T-T) Cada liga possui um diagrama diferente, o da imagem só é válido para o aço carbono com 0,76%p C A curva vermelha indica o início da transformação Na curva azul, temos 50% de transformação A curva verde indica o final da transformação

50 Transformação isotérmica No diagrama abaixo é exemplificado um tratamento para completa transformação da austenita em perlita

51 Transformação isotérmica A formação de martensita não ocorre em temperatura constante, ela depende da temperatura até a qual a liga foi resfriada No diagrama, em laranja, são indicada as temperaturas necessárias para início, 50% e 90% da transformação da austenita em martensita