Aula Teórica 21. Materiais em Engenharia. Metais ferrosos. Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012

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1 Aula Teórica 21 Metais ferrosos Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 As imagens constantes nestas transparências foram retiradas maioritariamente da bibliografia recomendada

2 MATERIAIS METÁLICOS FERROSOS NÃO FERROSOS Ligas Fe-C Outras Fe Ferros fundidos Aços Fe-Cr (-Ni) (INOX) Fe-Ni (MARAGING) Fe-C-Mn (HADFIELD) Sem liga Baixa liga HSLA Ligados Ferríticos Austeníticos Martensíticos Duplex PH Ligas leves Ligas Cu Ligas Ni Ligas Tm Ligas Tm (REFRACTÁRIOS) Ligas Al Ligas Ti Ligas Mg Ligas Be Bronzes Latões Cu-Ni Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 2

3 Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 4

4 Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 5

5 Nomenclatura AISI-SAE para Aços ao Carbono e Aços ligados Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 6

6 Outros elementos da nomenclatura AISI-SAE Nomenclatura UNS para Ligas Metálicas (ferrosas e não ferrosas) Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 7

7 LIGAS FERRO-CARBONO AÇOS 0<%C<2 2<%C<4 FERROS FUNDIDOS Sem liga ou Aço-carbono Aço ligado Aço de baixa liga Aço de alta liga Se não contiver nenhum elemento de liga em quantidade superior aos mínimos indicados Se nenhum elemento de liga atingir um teor de 5% Se pelo menos um el. de liga ultrapassar um teor de 5% Teores máximos de alguns elementos nos aços sem liga: Al 0,10% Bi 0,10 B 0,0008 Cr 0,30 Co 0,10 Cu 0,05 Mn 1,65 Mo 0,08 Ni 0,30 Nb 0,06 Pb 0,40 Se 0,10 Si 0,50 Ti 0,05 W 0,01 V 0,10 Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 8

8 Independentemente de ser ou não ligado, um aço pode ser classificado segundo vários critérios: Resistência mecânica Teor em C Utilização Valor da tensão limite de elasticidade: Aços correntes σ<600mpa Aços de alta resistência 600<σ<1100MPa Aços de muito alta resistência 1100<σ<1800MPa Aços de ultra alta resistência σ>1800mpa Hipoeutectoides (%C<0,8) Baixo teor em C (%C 0,3) Médio teor em C (0,3<%C<0,7) Eutectoides (%C = 0,8) Hipereutectoides (%C>0,8) Alto teor em C (%C 0,7) Aços de construção Aços-ferramenta Aços rápidos Aços trabalho quente Aços trabalho a frio Aços resist ao choque Aços especiais Resist. à corrosão Resistentes a altas temperaturas Aços para molas, etc Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/2012 9

9 AÇOS AO CARBONO E DE BAIXA LIGA Propriedades dependem do trat. térmico e % de deformação plástica Elevada rigidez Podem atingir elevada resistência e dureza Material por excelência para construção mecânica Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

10 AÇOS AO CARBONO Baixo Carbono (%C<0,3) Médio Carbono (0,3<%C<0,7) Alto Carbono (%C>0,7) Grande ductilidade Bons para extenso trabalho mecânico e para soldadura Construção de pontes, edifícios, navios, caldeiras, e peças de grandes dimensões em geral Não temperáveis Temperados e revenidos atingem boas tenacidade e resistência Usados em veios, engrenagens, bielas, carris, etc Elevadas dureza e resistência depois de têmpera Pequenas ferramentas de baixo custo Componentes agrícolas sujeitos a desgaste Molas, engrenagens, cames e excêntricos Os aços ao carbono podem ainda ser obtidos no estado de laminado a frio (cold finished) ou de laminado a quente (hot finished), este último para %C<0,25. Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

11 AÇOS AO CARBONO - PROPRIEDADES Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

12 APLICAÇÕES DOS AÇOS AO CARBONO AERONAVES NAVIOS AUTOMÓVEIS MOLAS Apenas no trem de aterragem (AISI 4340) Aço macio com %C entre 0,18 e 0,23 para facilitar a soldadura Casca: 1006, 1008 Suspensão e direcção: 1021~1046 Motor: 1046, 1049 (cambota), 1041 (biela), 1041 (pino do êmbolo), 1040, 1010 (martelo), 1041, 1547 (válv. Admissão) Veio de transmissão: 1024, 1036, 1045 end. superficialmente 1050, 1070, 1095 temp. e revenidos Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

13 REPERTÓRIO DE AÇOS AO CARBONO Não temperáveis Maquináveis Temperáveis a. AISI 1006/1010 b. AISI 1020 c. AISI 1030 d. AISI 1112 e. AISI 1140 (temperável) f. AISI 1150 (temperável) g. AISI 1040 h. AISI 1045 i. AISI 1050 j. AISI 1060 k. AISI 1080 l. AISI 1095 Algumas recomendações na selecção de aços ao carbono a e b devem ser usados para peças que levarão extensa deformação plástica EXTREMA PRECAUÇÃO A SOLDAR AÇOS COM %C SUPERIORES A 0,3 c e j são por vezes usados para obter melhor resist. sem t.t. Peças laminadas a frio devem ser encomendadas com recozido d~f devem usar-se quando peças requerem maquinagem g~j usam-se para endurecimento superficial k~l são para têmpera total Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

14 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DOS AÇOS AO CARBONO Gama larga de propriedades Relativamente baratos Representam 80% de toda a produção de aço Resistência sempre inferior a 700MPa (sem t.t.) Têmpera difícil para largas espessuras (perigo de distorção/fractura) Fraca resistência ao impacto a baixas temperaturas Baixa resistência à corrosão Rápida oxidação a temp. elevadas Difíceis de trabalhar para teores elevados de carbono Cuidado na soldadura de aços com %C>0,3 AÇOS DE LIGA Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

15 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS Juntam-se elementos de liga ao aço para obter propriedades e características particulares que não são possíveis de outra forma: Melhoria de propriedades mecânicas Melhoria da temperabilidade Maior maquinabilidade, resistência ao desgaste, à fadiga, etc Melhoria de resistência à corrosão e oxidação Melhoria de propriedades mecânicas a baixas e/ou altas temperaturas Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

16 FORMA COMO SE ECONTRAM OS ELEMENTOS DE LIGA DISSOLVIDOS NA MATRIZ FORMANDO CARBONETOS FORMANDO COMPOSTOS INTERMETÁLICOS Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

17 Influência dos elementos de liga nas propriedades dos aços Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

18 Todos os aços de liga cuja percentagem de carbono exceda os 0,3%. Os mais usados são os AISI 4140 e 4340 Nota: 1000psi=6,8MPa Aços de liga para têmpera total Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

19 Aços de liga para endurecimento superficial Todos os aços de liga cuja percentagem de carbono não exceda os 0,3%. Os mais usados são os AISI 9310 e 4615 Dureza superficial Dureza no núcleo Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

20 Aços H Aços B Aços com características de tratamento térmico garantidas Característica importante em indústrias de produção em massa, garantindo reprodutibilidade Distingue-se das designações normais por um H no fim AISI 4140H : Aço-Crómio- Molibdénio com 0,40%C com características de tratamento térmico garantidas Aços com teores de Boro desde 0,0005 a 0,003% Confere aos aços de baixo e médio carbono uma excelente temperabilidade, só atingível com elementos de liga mais caros e em maior quantidade Pode ser também usado em aços de baixa liga AISI 50B44 : Aço-Crómio com 0,44%C e Boro. Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

21 Aços microligados - HSLA São especificados pela resist. e não pela composição Desenvolvidos a partir dos aços de baixo carbono com pequenas adições de Mn (até 2%) e outros elementos em níveis muito pequenos Apresentam maior resistência que os aços de baixo carbono idêntico, mantendo a ductilidade e soldabilidade Destinados a estruturas onde a soldadura é um requisito primário (=>C baixo) e a resistência é importante! Grande ganho de peso a custo reduzido! Temp. Transição dúctil-frágil muito baixa e tenacidade à fractura elevada Ganho de resistência é obtido por solução sólida dos el. Liga e não por trat. térmico Nb, Ti, V, N formam precipitados inibindo o cresc. grão e melhoram a tenacidade Adição de 0,5%Cu max conferem melhor resist. à corrosão Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

22 Aços microligados - HSLA Exemplo: AISI 1030 σc=250mpa ASTM A572 Grade 50 - σc=345mpa (mesma %C, com Mn, V, Cu, Si) Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

23 AÇOS DE ALTA LIGA (INOX, MARAGING, HADFIELD) Elevadas percentagens de Crómio e/ou Níquel e/ou Manganês Elevada resistência à corrosão Boa resistência mecânica Podem atingir elevada resistência e dureza Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

24 AÇOS HADFIELD (C-Mn) Aços de alta liga com %C entre 1 e 1,4 e %Mn entre 12 a 14 Apresentam grande resistência e elevada tenacidade Fáceis de soldar => aplicação em peças sujeitas ao desgaste Resistência à corrosão idêntica aos aços ao carbono O Mn traz a austenite até à temp. ambiente. A austenite transforma-se em martensite por deformação plástica Aplicados em ferramentas pneumáticas, dentes de escavadoras, mandíbulas de máquinas de britar, agulhas de caminho de ferro, etc Especificação através da norma ASTM A128 em vários Graus Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

25 AÇOS MARAGING (Fe-Ni) Classe especial de aços de ultra alta resistência 18-20%Ni, 8-10%Co, 3-5%Mo, presença de Ti, 0,05%C max Obtêm a resistência pela precipitação de compostos intermetálicos após tratamento térmico Antes do tratamento pode ser facilmente trabalhado Resist. mecânica e tenacidade superiores aços temperados Resist. corrosão idêntica aos aços temperados Excelente soldabilidade e razoável ductilidade Tensão de cedência entre 1000 e 2400MPa Aplicação quase exclusiva na indústria aeroespacial Especificação através da norma ASTM A538 em Grade A, B e C Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

26 Nomenclatura ASTM para aços maraging Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

27 AÇOS INOXIDÁVEIS (Fe-Cr-(Ni)) Ligas à base de Fe, com um mínimo de 11%Cr em solução para prevenirem a corrosão O carbono está presente em teores reduzidos (0,03% ferríticos até 1% martensíticos) Grande resistência à corrosão e elevada resistência mecânica Podem apresentar estrutura ferrítica, austenítica, martensitica, ou mista, consoante as % de elementos de liga e/ou trat. térmico Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

28 TIPOS BÁSICOS DE AÇOS INOX FERRÍTICOS AUSTENÍTICOS MARTENSÍTICOS 11 %Cr 20, %C 0,3 Não podem ser tratados termicamente 17 %Cr 25 ; 6 %Ni 20 Estrutura austenítica à temp. ambiente Não podem ser tratados termicamente Mais resistente corrosão 12 %Cr 18;0,1 %C 1,2 Quando temperados atingem elevados níveis de dureza e resistência 0,2%C 1,0%C Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

29 OUTROS TIPOS DE AÇOS INOX DUPLEX Microestrutura bifásica austenite+ferrite Melhor resistência corrosão que os austeníticos Tensão cedência pode atingir valores duplos dos austeníticos PH Endurecimento por precipitação Teores variáveis de Ni e Mo Precipitados de Cu, Al, Ti e Nb Elevadas resist. mecânica e tenacidade, mantidas a altas temperaturas MPa Tensile strength ksi Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

30 Diagrama de Schaeffler Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

31 Nomenclatura para aços inox A nomenclatura AISI contém 3 séries de 3 dígitos Série 200 (Cr, Ni, Mn) Série 300 (Cr, Ni) Série 400 (Cr) A nomenclatura UNS tem o prefixo S seguido do número de série AISI e mais dois dígitos, em geral 00 As séries 200 e 300 são austeníticas A série 400 contém as ligas ferríticas e martensiticas Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

32 Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

33 APLICAÇÕES FERRÍTICOS MARTENSÍTICOS AUSTENÍTICOS PH APLICAÇÕES Corrosão atmosférica Temperatura elevada Decoração Componentes estruturais Instrumentos de corte Ferramentas Resistência química Tanques Piping Componentes estruturais Molas TIPOS F A 440B 440C L 316L Mo Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

34 FERROS FUNDIDOS Usados em geral para: Resistência ao desgaste Isolamento de vibrações Componentes de grandes dimensões Peças de geometria complicada Peças onde a deformação plástica é inadmissível Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

35 FERROS FUNDIDOS CARACTERÍSTICAS GERAIS Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%) POSITIVAS Baixo ponto de fusão (relat. aos aços) Elevada dureza e resist. ao desgaste Boa resistência à corrosão Versatilidade de propriedades e aplicações NEGATIVAS Grande fragilidade, logo, baixa ductilidade Deformação plástica impossível à temperatura ambiente Difíceis de maquinar Soldadura muito limitada Domínio elástico não-linear Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

36 FERROS FUNDIDOS TIPOS BÁSICOS FF CINZENTO (Gray iron) FF DÚCTIL (Spheroidal iron) FF BRANCO (White iron) FF MALEÁVEL (Malleable iron) Existe sobreposição de composição química, pelo que só se distinguem através do processamento! Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

37 Tipos básicos de ferros fundidos, consoante a sua composição, microestrutura e processamento A Ferrite P Perlite Gf Grafite em flocos Gn Grafite nodular Gr Grafite em rosetas Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

38 FERRO FUNDIDO CINZENTO MICROESTRUTURA 2,5 %C 4,0 ; 1,0 %Si 3,0 Baixa veloc. arrefecimento => Carb. solidifica em forma de grafite (flocos) forma estável A matriz é ferrítica (veloc. baixa) ou perlítica (veloc. moderada) Flocos de grafite actuam como entalhes, baixando a tenacidade e a resistência APLICAÇÕES Ferro fundido mais usado (75%) Fundição mecânica em geral Blocos de motores Engrenagens de grandes dimensões Máquinas agrícolas Carcaças e suportes de máquinas Tubagens PROPRIEDADES Elevada fluidez=>peças complicadas Boa maquinabilidade (flocos) Grande resist. ao desgaste (grafite) Excelente amortecedor de vibrações Bom à comp., mau à tracção (frágil) Razoável resist. à corrosão Soldadura difícil Baixo custo (mais barato) TRATAMENTOS TÉRMICOS Recozimentos para alívio de tensões (taxas de arref. diferentes) ou para facilitar a maquinagem (obtendo matriz ferrítica) Têmpera e revenido, ou austêmpera, para obtenção de martensite (maior dureza) Tratamentos térmicos actuam apenas na matriz=>obtenção de grafite em flocos é irreversível Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

39 FERRO FUNDIDO CINZENTO NOMENCLATURA Não se faz pela composição química, mas sim pela resistência ASTM A48 Classe 20, 30,... A Classe determina a resistência à tracção mínima, em 1000 psi Classe Resist. mínima tracção (psi) (MPa) Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

40 FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal) MICROESTRUTURA 3,5 %C 4,0 ; 1,8 %Si 3,0 Pequenas adiçoes de Mg e Ce Em vez de flocos formam-se nódulos A matriz é ferrítica (veloc. baixa) ou perlítica (veloc. moderada) Grafite em nódulos origina maior resistência, ductilidade e tenacidade APLICAÇÕES Desenvolvimento iniciado em 1948 Engrenagens e pinhões Cambotas e cames Juntas universais Máquinas de trabalho pesado Válvulas Orgãos sujeitos a desgaste e impacto em geral PROPRIEDADES Alta resistência, tenacidade e ductilidade Excelente maquinabilidade Possibilidade de deformação a quente Grande resistência ao desgaste Fluidez boa Soldabilidade melhorada Baixo custo (superior ao ff cinzento) TRATAMENTOS TÉRMICOS Recozimentos para alívio de tensões (taxas de arref. diferentes) ou para melhorar a ductilidade Têmpera e revenido Tratamentos térmicos actuam apenas na matriz=>obtenção de grafite em nódulos é irreversível Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

41 FERRO FUNDIDO DUCTIL NOMENCLATURA Faz-se pela ASTM A536, em 5 classes: Classe 5 ( ) Classe 4 ( ) Classe 3 ( ) Classe 2 ( ) Classe 1 ( ) Os números entre parentesis significam: 1º - resistência mínima à tracção, em 1000psi 2º - tensão de cedência mínima à tracção, 1000psi 3º - extensão de rotura em tracção Ampliação 100x Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

42 FERRO FUNDIDO BRANCO MICROESTRUTURA 2,0 %C 3,5 ; 0,5 %Si 2,0 ; 0,5%Mn (anti-grafitizante) Alta veloc. arrefecimento => Carb. solidifica sob a forma de cementite A extrema dureza e fragilidade da cementite caracterizam este ff Em peças de maior tamanho pode obter-se ff branco à superfície e ff cinzento no núcleo TRATAMENTOS TÉRMICOS O único tratamento térmico que pode ser feito é o tratamento para obtenção do ferro fundido maleável PROPRIEDADES Grande resist. à compressão e ao desgaste (cementite) Extremamente frágil Não pode ser maquinado Soldadura virtualmente impossível Baixo custo APLICAÇÕES Principal aplicação é a produção de ferro fundido maleável Peças sujeitas a elevada compressão e atrito Esferas de moinhos e rolos de laminadores Elevada taxa de arrefecimento limita o tamanho das peças Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

43 FERRO FUNDIDO MALEÁVEL MICROESTRUTURA % elementos constituintes idênticas ao ferro fundido branco Obtido do ff branco por tratamento térmico de maleabilização A microestrutura obtida resulta da decomposição da cementite em rosetas de grafite, uma matriz de ferrite, perlite ou martensite PROPRIEDADES Variando a taxa de arrefecimento, pode obter-se um largo espectro de propriedades Grande resistência à corrosão Boa maquinabilidade e vazabilidade Propriedades similares ao ff dúctil Alta resistência, tenacidade e ductilidade Temperatura cementite grafite Tempo Martensite Perlite Ferrite Temperatura crítica de transformação α γ APLICAÇÕES Aplicação similares ao ff dúctil Peças sujeitas a alta temperatura Elementos de ligação Juntas universais Pequenas ferramentas Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

44 FERRO FUNDIDO MALEÁVEL NOMENCLATURA Faz-se pela ASTM A47, com 5 dígitos, correspondentes à tensão de cedência e extensão de rotura em tracção Exemplo: ASTM A47 Classe (ferro fundido maleável com tensão de cedência mínima em tracção de 32,5ksi e extensão de rotura de 10%) Exemplo: ASTM A47 Classe (idem de 35,0ksi e extensão de rotura de 18%) Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

45 FERRO FUNDIDO MALEÁVEL Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/

46 FERROS FUNDIDOS Arlindo Silva Ano Lectivo 2011/