técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metálicas.

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1 3 MATERIAIS FERROSOS 3.1 Considerações iniciais Ligas ferrosas são aquelas onde o ferro é o constituinte principal. Essas ligas são produzidas em maior quantidade do que qualquer outro tipo de metal, e nelas estão incluídos os aços carbono comuns, os aços-ferramentas, os aços inoxidáveis e os ferros fundidos. O ferro não é encontrado puro na natureza. Geralmente, esse metal apresenta-se combinado com outros elementos formando vários compostos, como a hematita (Fe 2 O 3 ), magnetita (Fe 3 O 4 ), limonita (FeO[OH]), siderita (FeCO 3 ), pirita (FeS 2 ) e limenita (FeTiO 3 ), sendo os mais importantes os dois primeiros. Esses compostos recebem o nome de minério de ferro, e são extraídos do subsolo (Figura 1-a) ou encontrados expostos formando verdadeiras montanhas. Resumidamente, o ferro é obtido dos seus minérios da seguinte forma: Para retirar as impurezas, do minério, este é lavado, fragmentado em pedaços menores (triturado) e, em seguida, transportados para a usina siderúrgica 1. Na usina siderúrgica, o minério é derretido em um forno especial que recebe a denominação de alto forno (Figura 1-c), no qual, já bastante aquecido, o minério é depositado em camadas sucessivas, intercaladas com coque 2 e fundente 3. Estando o alto forno carregado, injeta-se ar em seu interior por meio de um dispositivo especial (Figura 1-d). O ar injetado ajuda a queima do carvão coque, que ao atingir altas temperaturas derrete o minério. O ferro derretido deposita-se no fundo do alto forno, e a este ferro dá-se o nome de ferro gusa ou simplesmente gusa ou ferro de primeira fusão (Figura 1-e); as impurezas ou escórias, por serem mais leves que o ferro gusa, flutua sobre este. Posteriormente, através de duas aberturas especiais, localizadas em alturas diferentes, retirase a escória e, em seguida, o ferro-gusa que é despejado em panelas chamadas cadinhos (Figura 1-f). 1 Siderurgia: ramo da metalurgia que se dedica à fabricação e tratamento do aço. A metalurgia é o conjunto de técnicas que o homem desenvolveu com o decorrer do tempo que lhe permitiu extrair e manipular metais e gerar ligas metálicas. 2 Coque: tipo de combustível obtido pelo processo de coqueificação ; esse processo consiste, em princípio, no aquecimento a altas temperaturas, em câmaras hermeticamente (exceto para saída de gases) fechadas, do carvão mineral. 3 Fundentes: substâncias que são misturadas com o minério e o combustível, que funde e dissolve as impurezas ou combina-se com elas no forno, formando um composto fusível à temperatura de trabalho. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 61

2 O ferro-gusa derretido é transportado no cadinho e despejado em formas denominadas lingoteiras. Uma vez solidificado e resfriado, o ferro-gusa é retirado da lingoteira, recebendo o nome de lingote de ferro gusa (Figura 1-g). Os lingotes são armazenados para receberem novos tratamentos, pois nesta forma o ferro é usado apenas na confecção de peças que não passarão por processos de usinagem. A etapa seguinte do processo é o refino. O ferro gusa é levado para a aciaria, ainda em estado líquido, para ser transformado em aço, mediante queima de impurezas e adições. O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos. (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Figura 1- Esquema ilustrativo da produção de ferro-gusa (Adaptada de SENAI, 1996). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 62

3 O amplo uso das ligas à base de ferro deve-se a três fatores principais (CALLISTER, 2002): Os compostos que contém ferro ainda existem em grande quantidade no interior da crosta terrestre; O ferro metálico e as ligas de aço podem ser produzidos usando-se técnicas de extração, beneficiamento, formação de ligas e fabricação relativamente econômicas; As ligas ferrosas são extremamente versáteis, no sentido de que elas podem ser adaptadas para possuir uma ampla variedade de propriedades mecânicas e físicas. A grande desvantagem de muitas ligas ferrosas é o fato de apresentarem suscetibilidade à corrosão. As ligas ferrosas podem ser divididas em dois grupos principais: os aços e os ferros fundidos. A Figura 3.2 mostra um esquema classificatório para as várias ligas ferrosas. 3.2 Aços Uma definição mais geral do aço é aquela que trata esse material como liga ferrocarbono de baixo teor de carbono, contendo ainda impurezas e, em determinados casos, outros elementos adicionados como liga (PEDRAZA et al., 1979). Outra definição coloca os aços como ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis de outros elementos de liga (CALLISTER, 2002). Em função disso, visando uma definição melhor, podem ser considerados dois tipos fundamentais de aço: os aços-carbono comuns e os aços-liga. Os aços-carbono comuns contêm, geralmente, 0,008% até aproximadamente 2,11% em peso de carbono, além de pequenas concentrações de certos elementos residuais resultantes dos processos de fabricação. A concentração de 0,008% em peso corresponde à máxima solubilidade do carbono no ferro à temperatura ambiente, e a concentração de 2,11% em peso corresponde à máxima quantidade de carbono que se dissolve no ferro, e ocorre a 1148ºC. Os aços-liga contêm, além do ferro e do carbono, outros elementos de liga ou apresentam elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais; ou seja, mais elementos de liga são adicionados intencionalmente ao aço, em concentrações específicas. O limite superior de 2,11% em peso (normalmente aproximado para 2,0%) é alterado pela presença de elementos de liga ou de elementos residuais em teores superiores aos observados nos aços-carbono comuns. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 63

4 Figura 3.2 Um esquema de classificação para ligas ferrosas (CALLISTER, 2002) Considerações sobre o Diagrama de equilíbrio Fe-C Para o conhecimento adequado das ligas ferro-carbono é imprescindível o estudo do diagrama de equilíbrio dessas ligas. A Figura 3.3 mostra o diagrama da liga binária Fe-C, para teores de carbono até 6,67%. Este diagrama é geralmente apresentado somente até o teor de 6,67% de carbono por dois motivos. O primeiro, é que este elemento forma com o ferro o composto Fe 3 C que contém 6,67% de carbono e que é um constituinte de grande importância nas ligas ferrocarbono. O segundo motivo é o fato de pouco ou nada se conhecer dessas ligas acima desse teor. Como a extremidade direita do diagrama Fe-C corresponde a 6,67% de carbono, que é a composição do carboneto de ferro Fe 3 C, este diagrama é, de fato, um diagrama Fe-Fe 3 C. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 64

5 Figura 3.3 Diagrama Fe-Fe 3 C (ASKELAND & PHULÉ, 2003). Na verdade, não se trata a rigor de um diagrama de equilíbrio estável, pois se assim fosse não deveria ocorrer qualquer mudança de fase com o tempo. Verificou-se, entretanto, que mesmo em ligas Fe-C relativamente puras (isto é, com baixos teores de elementos residuais), mantidas durante anos a temperaturas elevadas (da ordem de 700ºC), o Fe 3 C pode se decompor em ferro e carbono, este último na forma de grafita (CHIAVERINI, 2002). Rigorosamente, portanto, o diagrama mostrado na Figura 3.3 deve ser considerado de equilíbrio metaestável, uma vez que, sendo a grafita mais estável que o carboneto de ferro (Fe 3 C), o diagrama estável será descrito pelo diagrama ferro-grafita. No caso dos aços, no entanto, é o carboneto de ferro que se forma ordinariamente e, por essa razão, é o diagrama Fe-Fe 3 C que se utiliza para prever as mudanças de fase nas ligas Fe- C submetidas a variações de temperatura. O diagrama Fe-Fe 3 C corresponde apenas à liga binária Fe-C; entretanto, os aços comerciais não são ligas binárias, pois também contêm elementos residuais oriundos dos processos de fabricação, tais como fósforo, enxofre, silício e manganês, que em teores normais pouco afetam o diagrama. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 65

6 Fases presentes no diagrama Fe-Fe 3 C Observa-se no diagrama a existência de quatro fases: as soluções sólidas α, γ e δ e o composto intermetálico Fe 3 C. Essas fases serão estudadas a seguir. a) Fase α Denominada ferrita, esta fase é uma solução sólida intersticial de carbono em ferro α, apresentando, portanto, estrutura CCC. A solubilidade do carbono na ferrita é muito baixa, pois apenas alguns átomos de carbono poderão ocupar os sítios da estrutura CCC do ferro. A Figura 3.4 mostra as dimensões relativas dos átomos de carbono e dos sítios intersticiais tetraédricos do ferro CCC. O átomo de carbono tem um raio aparente de 0,0710 nm, enquanto que o raio do interstício para acomodá-lo é de apenas 0,0361 nm 4 ; a presença de um átomo de carbono na rede da ferrita, portanto, implica em forte deformação na estrutura. Figura 3.4 Dimensões do sítio intersticial tetraédrico e do átomo de carbono na estrutura da ferrita. O resultado global é que a rede, na vizinhança do átomo intersticial, estará tão intensamente deformada que a introdução de outro átomo de carbono somente será possível a uma longa distância do primeiro. Isto resulta na solubilidade extremamente baixa do carbono na ferrita, a saber: - Solubilidade de 0,008% em peso a temperatura ambiente, ou seja, um átomo de carbono para 10 8 átomos de ferro, aproximadamente; o que é equivalente a uma separação média de cerca de 100 átomos de ferro entre átomos intersticiais. 4 Valores calculados a partir das considerações de ASKELAND & PHULÉ, 2003 UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 66

7 - Solubilidade de 0,0218% em peso (solubilidade máxima) a temperatura de 727ºC, ou seja, cerca de um átomo de carbono para 10 3 átomos de ferro; o que é equivalente a uma separação média de 10 átomos de ferro entre átomos intersticiais. Em função dessa baixa solubilidade de carbono, a ferrita é a mais macia e dúctil das fases mostradas no diagrama Fe-C. À temperatura ambiente apresenta limite de resistência na ordem de 340 MPa (35 kgf/mm 2 ), alongamento de 70% e dureza Brinell entre 50 e 100. É ferromagnética a temperaturas inferiores a 760ºC. b) Fase γ Denominada austenita, esta fase é uma solução sólida intersticial de carbono em ferro γ, em que os átomos de carbono ocupam sítios octaédricos da rede do ferro com estrutura CFC. A Figura 3.5 mostra as dimensões relativas dos átomos de carbono e dos sítios intersticiais do ferro γ. x x x 0,3571 nm x x Sítios tetraédricos (raio intersticial = 0,0522 nm) Figura 3.5 Dimensões do sítio intersticial tetraédrico na estrutura da austenita. Os sítios intersticiais do ferro γ são maiores que os da ferrita; em conseqüência, a solubilidade do carbono será muito mais elevada na austenita do que na ferrita. Mesmo assim, o espaço vazio em cada sítio é insuficiente para acomodar o soluto sem que haja deformação da rede. Isto limita a solubilidade a um máximo de apenas 2,11% em peso de carbono ou 8,7% em átomo, na temperatura de 1146ºC. Como a solubilidade de carbono na austenita é bem maior do que na ferrita, as suas propriedades mecânicas, que dependem do teor de carbono, terão uma maior variação. Esta fase é geralmente macia e dúctil, embora menos que a ferrita; é tenaz, tem limite de resistência entre 686 e 980 MPa (70 a 100 kgf/mm 2 ) e é não-magnética. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 67

8 c) Fase δ Às vezes chamada ferrita-δ, esta fase é semelhante à fase α. A solubilidade do carbono na mesma é pequena, mas consideravelmente maior que na fase α, devido à temperatura elevada, e atinge 0,10% em peso de carbono a 1492ºC. d) Carboneto de ferro (Fe 3 C) Denominada cementita, essa fase é um composto intermetálico. A composição da cementita corresponde à fórmula Fe 3 C, pois o reticulado cristalino contém átomos de ferro e de carbono na proporção de 3 para 1. Apresenta uma estrutura cristalina ortorrômbica com doze átomos de ferro e quatro átomos de carbono por célula unitária 5, o que corresponde a um teor de carbono de 6,67% em peso. Os parâmetros da célula unitária são: a = 0,4514 nm; b = 0,5080 nm e c = 0,6734 nm. A Figura 3.6 mostra o arranjo espacial dessa fase. Figura 3.6 Estrutura ortorrômbica da cementita; as esferas vermelhas representam os átomos de ferro, e as esferas amarelas os átomos de carbono (PUKASIEWICZ, 2003). Cada átomo de carbono está envolvido por seis átomos de ferro posicionados nos vértices de um prisma triangular levemente distorcido; a distância entre os átomos de ferro e de carbono varia de 0,1970 a 0,2060 nm. A cementita é uma fase extremamente dura (aproximadamente 650 HB), frágil, e tem um limite de resistência superior a 1960 MPa (cerca de 200 kgf/mm 2 ); além disso, é ferromagnética em temperaturas abaixo de 210ºC. 5 Esta estrutura é equivalente a um átomo de carbono envolvido por seis átomos de ferro posicionados nos vértices de um prisma triangular levemente distorcido. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 68

9 Reações invariantes no diagrama Fe-Fe 3 C Observa-se no diagrama a existência de três reações invariantes: uma reação eutetóide, uma peritética e uma eutética. As duas primeiras ocorrem na região do diagrama correspondente aos aços, e a terceira encontra-se na região dos ferros fundidos, e será melhor analisada somente quando do estudo dessas ligas. a) A reação eutetóide No diagrama Fe-C, o ponto que divide os aços e os ferros fundidos é o teor de 2,11%C, correspondente à composição máxima da austenita. Na região do diagrama correspondente aos aços, observam-se as seguintes linhas de transformação: Linha A 3 - representa as temperaturas nas quais a ferrita começa a se formar no resfriamento; Linha A cm - corresponde às temperaturas nas quais a cementita começa a se formar no resfriamento; Linha A 1 - representa a temperatura eutetóide, na qual ocorre a formação da perlita. Linha A 4 - representa as temperaturas nas quais a austenita começa a se formar no resfriamento. A temperatura eutetóide para as ligas ferro-carbono é 727ºC, e a composição eutetóide corresponde a 0,77% em peso de carbono (~ 0,80%C), conforme indica a Figura 3.7. Figura 3.7 Região eutetóide do diagrama Fe 3 C e microestrutura esquemática do aço eutetóide (Adaptada de CALLISTER, 2002). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 69

10 A reação eutetóide do sistema Fe-C envolve a formação simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita com composição eutetóide, conforme ilustra a Figura 3.8. γ 0,77%C resfriamento α 0,025%C + Fe 3 C 6,67%C Figura 3.8 Mostra a reação eutetóide, bem como o esquema de transformação da austenita (Adaptada de CALLISTER, 2002). Como se formam simultaneamente, a ferrita e a cementita estão intimamente misturadas. Essa mistura é caracteristicamente lamelar e a microestrutura resultante é denominada perlita, a qual é muito importante na tecnologia do ferro e do aço, pois pode ser formada em quase todos os aços por meio de tratamentos térmicos adequados. A microestrutura da perlita consiste de uma matriz de ferrita em que se encontram regularmente distribuídas placas de cementita, conforme pode ser visto na Figura 3.9. O arranjo dessas fases em condições próximas ao equilíbrio apresenta proporções definidas: 87,5% de ferrita e 12,5% de cementita. Figura Perlita com aumento de 1500 x. Mistura lamelar de ferrita (matriz clara) e cementita (mais escura) (Adaptada de VAN VLACK, 1970). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 70

11 A perlita, portanto, não é uma fase, mas uma mistura específica de duas fases, formada pela transformação da austenita de composição eutetóide em ferrita e cementita. É, contudo, um constituinte, pois apresenta um aspecto característico ao microscópio e pode ser distinguida claramente em uma estrutura composta de vários constituintes. Essa distinção é importante, pois pode se obter a formação de ferrita e cementita também por outras reações; entretanto, a microestrutura resultante não será lamelar e, conseqüentemente, as propriedades do material serão diferentes. Como a perlita resulta da austenita de composição eutetóide, a quantidade presente da mesma é igual à da austenita eutetóide transformada. As propriedades mecânicas da perlita são intermediárias entre a ferrita (mole e dúctil) e a cementita (dura e frágil). Com relação à reação eutetóide, os aços resfriados lentamente podem ser divididos em três categorias: Aços hipoeutetóides contendo < 0,80%C; Aços eutetóide contendo 0,80%C; Aços hipereutetóide contendo > 0,80%C Aços eutetóides Nesses aços, após a formação da austenita, uma única reação se passará no estado sólido: a transformação eutetóide da austenita em perlita. Assim, quando resfriado lentamente, um aço contendo aproximadamente 0,80%C apresentará à temperatura ambiente uma estrutura inteiramente perlítica (Figura 3.7). A Figura 3.10 mostra a microestrutura de um aço eutetóide. Figura 3.10 Microestruturas contendo somente perlita (PUKASIEWICZ, 2003). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 71

12 Aços hipoeutetóides No caso dos aços hipoeutetóides, a evolução estrutural está ilustrada na Figura Figura 3.11 Representação esquemática das mudanças microestruturais durante o resfriamento lento de um aço hipoeutetóide (CALLISTER, 2002). No ponto c o aço apresenta uma única fase, a austenita. Durante o resfriamento lento, a sua transformação se inicia quanto é atingida a linha solidus OM (linha A 3 ) em que começa a precipitação de ferrita. Nesse caso, quando a liga atinge a temperatura eutetóide (T e = 727ºC), correspondente ao ponto e, estará formada pela mistura de duas fases: a austenita e a ferrita. Os grãos de austenita, contendo agora cerca de 0,80%C, estarão envolvidos pelos grãos de ferrita produzidos ao longo do resfriamento (ferrita pró-eutetóide). A austenita sofrerá, então, a decomposição eutetóide, transformando-se em perlita, enquanto a ferrita já presente não sofrerá modificação (ponto f). O resfriamento subseqüente até a temperatura ambiente não produzirá mudanças visíveis na microestrutura (a única mudança ocorrerá na composição da ferrita). O aço hipoeutetóide apresentará à temperatura ambiente uma estrutura composta de dois constituintes: grãos de ferrita (mais clara) e nódulos de perlita (mais escura) (Figura 3.12). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 72

13 (a) Figura 3.12 Microestrutura de vários aços hipoeutetóides: (a) ~ 0,20%C e (b) ~ 0,45%C (PUKASIEWICZ, 2003). Aços hipereutetóides Durante o resfriamento lento de um aço hipereutetóide ocorrerá a precipitação de cementita previamente à reação perlítica (cementita pró-eutetóide), conforme está ilustrado na Figura No ponto g a liga se apresenta no estado austenítico. Quando se atinge o a temperatura solvus começa a precipitação de cementita, que se desenvolve até a temperatura eutetóide. Quando essa temperatura é atingida, a liga é composta da mistura de austenita, com aproximadamente 0,80%C, e cementita. Ocorre então a decomposição eutetóide da austenita em perlita. A microestrutura do aço hipereutetóide lentamente resfriado consistirá, assim, à temperatura ambiente, de dois constituintes: cementita e perlita. Devido à pequena quantidade de cementita presente nesses aços, a microestrutura mostra um aspecto característico, onde cada região perlítica está envolvida por uma fina rede de cementita. (b) UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 73

14 Figura 3.13 Representação esquemática das mudanças microestruturais durante o resfriamento lento de um aço hipereutetóide (CALLISTER, 2002). b) A reação peritética A transformação peritética, que concerne a solidificação dos aços contendo até 0,54%C e que ocorre a temperatura de 1492 C, está mostrada na Figura O diagrama destaca que no resfriamento desses aços, a 1492 C, ocorre uma reação isotérmica onde a fase δ já solidificada, contendo 0,10%C, se combina com o líquido remanescente, contendo 0,54%C, para produzir austenita com 0,18%C. No aquecimento ocorre a reação inversa. A reação peritética corresponde, assim, à transformação: L 0,54%C + δ 0,10%C resfriamento 1492 C γ 0,18%C UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 74

15 Figura 3.14 Região peritética do diagrama Fe-Fe 3 C. c) A reação eutética No ponto eutético, o líquido com 4,3%C transforma-se em austenita (γ) com 2,08%C e no composto intermetálico Fe 3 C (cementita), que contém 6,67%C. A reação eutética ocorre a 1148 C e pode ser escrita sob a forma: L 4,3%C resfriamento 1149 C γ 2,08%C + Fe 3 C 6,67%C Essa transformação ocorre na área do diagrama Fe-Fe 3 C correspondente aos ferros fundidos; portanto, mais detalhes sobre ela serão vistos quando do estudo desses materiais Distribuição dos elementos de liga nos aços Os elementos de liga modificam as propriedades dos aços por meio de alterações que introduzem na sua estrutura. Para se compreender tais modificações é preciso conhecer a forma segundo a qual cada elemento adicionado vai se apresentar: se vai entrar em solução sólida com o ferro, ou se dissolver na cementita, ou formar um composto intermetálico com o ferro, ou formar óxido ou outra inclusão não-metálica. É importante observar que, embora um elemento não se localize nunca em um único constituinte, cada elemento manifesta, em geral, uma preferência marcada por um determinado constituinte. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 75

16 Observa-se ainda, que a repartição precisa dos elementos, em um caso concreto, depende da concentração de outros elementos e da história do material. Como resultado, o problema que se coloca é o de prever as tendências gerais de repartição dos elementos. A Tabela 3.1 descreve essas tendências em alguns casos importantes (BAIN & PAXTON, 1961). Tabela 3.1 Tendências gerais de distribuição dos elementos nos aços Elemento Em solução Combinado em Em inclusões sólida na ferrita carbonetos não-metálicas Ni Ni - - Si Si - SiO 2 Al Al - Al 2 O 3 Zr Zr - ZrO 2 Mn Mn Mn MnS, MnO Cr Cr Cr Cr x O 4 W W W - Mo Mo Mo - V V V V x O 4 Ti Ti Ti Ti x O 4 Nb Nb Nb - P P - - S S (?) - (Mn,Fe)S, ZrS Fonte: BAIN & PAXTON, 1961, apud PEDRAZA et al., 1979 Em compostos intermetálicos Ni 3 Si, Ni 3 Al - Al x N y Zr x N y V x N y TiN 4 C z, Ti x N y Influência dos elementos de adição nas transformações alotrópicas do ferro No ferro puro, como visto anteriormente, as transformações alotrópicas γ δ (denominada A 4 ) e α γ (denominada A 3 ) ocorrem a temperaturas constantes, em torno de 1400ºC e 910ºC, respectivamente. Quando um segundo elemento entra em solução com o ferro, cada uma dessas transformações passa a ocorrer em certo intervalo de temperatura, como determina a regra das fases. Segundo a natureza do soluto introduzido, pode ser observada a ocorrência de dois tipos de efeito, descritos a seguir: UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 76

17 Elevar a temperatura de transformação A 4 e reduzir a A 3, ampliando o domínio de existência da fase γ; tais solutos são denominados estabilizadores de austenita ou gamagêneos ou austenitizantes. Abaixar a transformação A 4 e elevar a transformação A 3, ampliando o campo de existência da ferrita; tais solutos são denominados estabilizadores de ferrita ou alfagêneos ou ferritizantes. Cada um desses tipos comporta duas classes distintas, assim distribuídas e representadas (Figura 3.15): A- Elementos gamagêneos Tipo A-1: Os elementos de liga ampliam o domínio de estabilidade da fase γ abaixando a temperatura de transformação A 3 (γ α) e elevando a temperatura de transformação A 4 ( δ γ); nesse caso, para teores elevados de soluto a fase γ pode ser estável à temperatura ambiente, formando-se o que é chamado campo γ aberto. Exemplos: Mn, Ni e Co. Tipo A-2: Existe também uma ampliação do campo de estabilidade da fase γ, mas esta ampliação é limitada, pois os compostos ricos em ferro (ou as soluções sólidas no elemento de liga) tornam-se estáveis, ou seja, para teores elevados de soluto ocorre o aparecimento de uma segunda fase. Exemplos: Cu, Zn, Au, N e C. B- Elementos alfagêneos Tipo B-1 O elemento de adição reduz o domínio de estabilidade da fase γ e, finalmente, a suprime, formando-se um campo γ fechado ; acima de um certo teor de soluto, a liga pode se encontrar sob a forma α em todas as temperaturas. Exemplos: Si, Cr, W, Mo, P, V, Ti, Be, Sn, Sb, As e Al. Tipo B-2 Ocorre também uma concentração do campo γ, mas a solubilidade restrita do elemento de adição gera o aparecimento de compostos intermetálicos ou soluções sólidas que interrompem esse processo. Exemplos: Ta, Zr, B, S, Ce e Nb. Desses elementos de liga, o cromo tem um comportamento especial, pois com teores entre 7 a 8% abaixa a faixa de temperatura de transformação A 3 (α γ) e com aumentos ulteriores verifica-se o contrário. Entretanto, o abaixamento da temperatura de transformação A 4 (γ δ) na faixa de 8%Cr é mais rápido do que o da transformação A 3 (α γ), podendo-se, de fato, afirmar que o cromo estreita uniformemente a faixa de estabilidade da austenita. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 77

18 Figura 3.15 Efeito dos elementos de liga no comportamento do ferro (CHIAVERINI, 2002) Influência dos elementos de adição nas linhas de transformação do diagrama Fe-C A ação dos elementos de liga sobre as linhas de transformação do diagrama Fe-C pode ser encarada sob os três aspectos seguintes: efeito sobre a composição eutetóide, efeito sobre a temperatura eutetóide e efeito sobre o campo austenítico. Os dois primeiros efeitos estão sintetizados na Figura 3.16, onde se vê que todos os elementos de liga analisados tendem a diminuir o teor de carbono do eutetóide, ao passo que somente o níquel e o manganês tendem a diminuir a temperatura eutetóide; todos os outros elementos apresentam tendência oposta. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 78

19 Figura 3.16 Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do eutetóide (CALLISTER, 2002). O terceiro efeito está sintetizado na Figura Verifica-se que o manganês, em teores crescentes, reduz a temperatura eutetóide, além de diminuir o teor de carbono desse constituinte; um teor adequado de manganês poderá, por exemplo, produzir estrutura inteiramente perlítica somente com aproximadamente 0,3%C. O cromo, o molibdênio e o silício comportam-se de modo contrário ao manganês no que se refere à influência sobre a temperatura eutetóide; quanto à influência sobre o teor de carbono do eutetóide, a tendência é idêntica à do manganês. Todos esses elementos, portanto, com exceção do manganês, contraem o campo austenítico, tendendo a formar o aço quase que inteiramente ferrítico. Convém observar que essa propriedade de certos elementos de liga, como o manganês, o cromo, o molibdênio, o silício, o nitrogênio, o titânio e outros, de produzirem uma estrutura eutetóide apresentando um teor de carbono comparativamente baixo, é muito importante. De fato, a liga eutetóide possui grande resistência mecânica; como a dureza e a fragilidade crescem com a porcentagem de cementita, é evidente que se for possível se obter uma estrutura resistente, inteiramente perlítica, mediante a introdução de elementos de liga em um aço com menor teor de carbono, essa estrutura será também mais mole e menos frágil, ou seja, mais tenaz do que a estrutura semelhante em um aço carbono comum. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 79

20 Figura 3.17 Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do eutetóide do aço (CHIAVERINI, 2002) Propriedades mecânicas dos aços-carbono Em princípio, as propriedades mecânicas dos aços-carbono são afetadas pelos seguintes fatores: composição química e microestrutura. a) Composição química Nos aços-carbono esfriados normalmente, ou seja, em condições tais que a transformação da austenita se processe totalmente, o elemento predominante é o carbono, o qual, à medida que tem o seu teor aumentado, melhora as propriedades relativas à resistência mecânica (limite de escoamento, limite de resistência à tração e dureza) e piora as propriedades relativas à ductilidade e à tenacidade (alongamento, estricção e resistência ao choque). A Figura 3.18 ilustra a influência da concentração de carbono nas propriedades mecânicas dos aços-carbono tratados termicamente ou não. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 80

21 Figura 3.18 Efeito do teor de carbono nas propriedades mecânicas de aços-carbono (ASKELAND & PHULÉ, 2003). b) Microestrutura A microestrutura é inicialmente afetada pela composição química, pois se sabe que os constituintes presentes são ferrita e perlita (aço hipoeutetóide), ou perlita e cementita (aço hipereutetóide) ou somente perlita (aço eutetóide). Entretanto, a microestrutura dos aços depende também dos seguintes fatores: Estado ou condição do aço, sob o ponto de vista de fabricação: se fundido, trabalhado a quente (laminado, forjado etc.) ou trabalhado a frio (encruado); Tamanho de grãos austeníticos; Velocidade de resfriamento. No estado fundido o aço apresenta granulação grosseira, do tipo dendrítica, pois a austenita se forma a altas temperaturas e o esfriamento do interior dos moldes é muito lento. No estado trabalhado a quente, em que a maioria dos aços é utilizada, como as operações de conformação a quente são realizadas a temperaturas em que o aço se apresenta no estado austenítico, verificam-se as seguintes conseqüências: UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 81

22 - Homogeneização apreciável da estrutura, pela tendência de eliminar ou reorientar as inclusões e segregações que ocorrem durante a solidificação do metal no interior dos moldes; - Destruição da estrutura dendrítica; - Recristalização, com acentuada influência sobre o tamanho de grão, que pos sua vez depende das temperaturas finais de deformação (geralmente, o trabalho a quente produz uma redução do tamanho de grão). Em conseqüência, as propriedades mecânicas finais do aço trabalhado a quente são sensivelmente melhoradas em relação às do material fundido. No estado encruado, característico de alguns dos mais importantes produtos siderúrgicos, como fios, fitas, chapas etc., os efeitos mais importantes são os seguintes: aumento da resistência mecânica, aumento da dureza e diminuição da ductilidade, representada por uma redução do alongamento e da estricção. A Tabela 3.2 mostra alguns valores de propriedades mecânicas de um aço com 0,14%C, para diversos estados de fabricação (CHIAVERINI, 2002). Tabela 3.2 Alguns valores de propriedades mecânicas de um aço com 14%C em função do estado de fabricação Encruado com Encruado com Propriedade Recozido 30% de redução 60% de redução Limite de proporcionalidade (MPa) Limite de escoamento (MPa) Limite de resistência à tração (MPa) Alongamento em 100 mm (%) 41,7 22,0 10,5 Estricção (%) 65,8 58,0 43,0 Fonte: CHIAVERINI, Efeitos dos elementos de liga nos aços A introdução de elementos de liga nos aços-carbono é feita com o objetivo de se conseguir um ou mais dos efeitos descritos a seguir: a. Aumentar a dureza e a resistência mecânica; b. Conferir resistência uniforme através de toda a seção em peças de grandes dimensões; c. Diminuir o peso (em conseqüência do item a), de modo a reduzir a inércia de uma parte em movimento ou reduzir a carga-morta em um veículo ou em uma estrutura; d. Conferir resistência à corrosão; e. Aumentar a resistência ao calor; f. Aumentar a resistência ao desgaste; UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 82

23 g. Aumentar a capacidade de corte; h. Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas. Os três primeiros efeitos são conseguidos porque os elementos de liga aumentam a resistência da ferrita e formam ainda outros carbonetos, além do Fe 3 C, contribuindo para a melhoria da resistência do aço, sobretudo em seções que, caso se tratasse de aços-carbono comuns, dificilmente teriam a resistência alterada. Geralmente, esse aumento de resistência é conseguido pela adição de um ou vários elementos de liga em teores relativamente baixos (não ultrapassando sua soma o valor de 5%). A obtenção dos outros requisitos requer a introdução dos elementos de ligas em teores mais elevados, produzindo-se alterações mais profundas na ferrita, além de resultarem na formação de carbonetos mais complexos. Esses aços são mais difíceis de fabricar e tratar termicamente, de modo que são muito dispendiosos, mesmo porque alguns dos elementos de liga utilizados são relativamente raros. Da quantidade total de aços-liga produzida, cerca de 60% pertence à série 86XX, com três elementos de liga (Ni, Cr e Mo) em baixos teores (CHIAVERINI, 2002). A Tabela 3.3 resume os efeitos dos elementos de liga nos aços (CHIAVERINI, 2002). Tabela 3.3 Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços Elemento Solubilidade sólida No ferro γ Al 1,1% (aumentada pelo C) Cr 12,8% (20% com 0,5%C) No ferro α Influência sobre a ferrita 36% Endurece consideravelmen te por solução sólida Sem limites Endurece ligeiramente; aumenta a resistência à corrosão Co Sem limites 75% Endurece consideravelmen te por solução sólida Influência sobre a austenita (Endurecibilidade) Aumenta a endurecibilidade moderadamente se dissolvido na austenita Aumenta a endurecibilidade moderadamente Diminui a endurecibilidade no estado sólido Influência exercida através dos carbonetos Tendência Ação formadora durante o de revenido carbonetos Negativa (grafitiza) Maior que o Mn Menor que o W Semelhante ao Fe Principais funções - 1- Desoxidante eficiente 2- Restringe o crescimento de grão (pela formação de óxidos ou nitretos dispersos) 3- Elemento de liga Moderada Resiste à diminuição de dureza Sustenta a dureza pela solução sólida 1-Aumenta a resistência à corrosão e à oxidação 2-Aumenta a endurecibilidade 3- Melhora a resistência a altas temperaturas 4- Resiste ao desgaste (com alto teor de C) 1- Contribui com a dureza à quente pelo endurecimento da ferrita UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 83

24 Tabela 3.6 Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação) Elemento Solubilidade sólida No ferro γ No ferro α Influência sobre a ferrita Mn Sem limites 3% Endurece acentuadamente reduz um tanto a plasticidade Mo 3% (8% com 0,3%C) 37,5% Produz o sistema endurecível por precipitação nas ligas Fe-Mo Ni Sem limites 37,5% Aumenta a resistência e a tenacidade por solução sólida P 0,5% 2,8% (sem relação com o teor de carbono) Endurece fortemente por solução sólida Influência sobre a austenita (Endurecibilidade) Aumenta a endurecibilidade moderadamente Aumenta a endurecibilidade fortemente (Mo < Cr) Aumenta a endurecibilidade ligeiramente, mas tende a reter a austenita com teor de C mais elevado Aumenta a endurecibilidade Influência exercida através dos carbonetos Tendência Ação formadora durante o de revenido carbonetos Maior que o Fe Menor que o Cr Forte, maior que o Cr Negativa (grafitiza) Muito pequena nos teores normais Opõe-se à diminuição de dureza criando a dureza secundária Muito pequena em teores baixos Principais funções 1- Contrabalança a fragilidade devida ao S 2- Aumenta a endurecibilidade economicamente 1- Eleva a temperatura de crescimento de grão de austenita 2- Produz maior profundidade de endurecimento 3- Contrabalança a tendência à fragilidade de revenido 4- Eleva a dureza a quente, a resistência a quente e a fluência 5- Melhora a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis 6- Forma partículas resistentes à abrasão 1- Aumenta a resistência de aços recozidos 2- Aumenta a tenacidade de aços ferríticosperlíticos (sobretudo a baixas temperaturas) 3- Torna austeníticas as ligas Fe-Cr com alto teor de Cr Nenhuma - 1- Aumenta a resistência de aços de baixo C 2- Aumenta a resistência à corrosão 3- Aumenta a usinabilidade em aços de usinagem fácil UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 84

25 Tabela 3.6 Efeitos específicos dos elementos de liga nos aços (continuação) Elemento Solubilidade sólida No ferro γ Si 2% (9% com 0,35%C) Ti 0,75% (1% com o,20%c) V 1% (4% com 0,20%C) No ferro α 18,5% (não muito alterada pelo C) Influência sobre a ferrita Endurece com perda de plasticidade (Mn < Si < P) 6% Produz sistema endurecível por precipitação em ligas Ti-Fe com alto Ti Sem limites Fonte: CHIAVERINI (2002). Endurece moderadamente por solução sólida Influência sobre a austenita (Endurecibilidade) Aumenta a endurecibilidade moderadamente Provavelmente aumenta muito a endurecibilidade no estado dissolvido. Os efeitos de carbonetos reduzem-na Aumenta muito fortemente a endurecibilidade do estado dissolvido Influência exercida através dos carbonetos Tendência formadora Ação durante de o revenido carboneto s Negativa (grafitiza) A maior conhecida Muito forte (V < Ti ou Co) Sustenta a dureza por solução sólida Carbonetos persistentes provavelmente não afetados. Algum endurecimento secundário Máxima para endurecimento secundário Principais funções 1- Desoxidante 2- Elemento de liga para chapas elétricas e magnéticas 3- Aumenta a resistência à oxidação 4- Aumenta a endurecibilidade de aços contendo elementos não grafitizantes 5- Aumenta a resistência de aços de baixo teor em liga 1- Reduz a dureza martensítica e a endurecibilidade em aços ao Cr de médio Cr 2- Impede a formação de austenita em aços de alto Cr 1- Eleva a temperatura de crescimento de grão de austenita (promove refino de grão) 2- Aumenta a endurecibilidade (quando dissolvido) 3- Resiste ao revenido e causa acentuado endurecimento secundário Designação e classificação dos aços Como mencionado anteriormente, as propriedades mecânicas dos aços são sensíveis ao teor de carbono, que é normalmente inferior a 1% em peso. A classificação francesa dos aços-carbono hoje em desuso, mas sua citação é de interesse para o entendimento de algumas obras científicas mais antigas subdivide os açoscarbono em seis classes conforme mostradas na Tabela 3.7 (FREIRE, 1983). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 85

26 Tabela 3.7 Classificação francesa dos aços-carbono. Teor de carbono Classificação (%) Aço extra-doce 0,05 a 0,15 Aço doce 0,15 a 0,30 Aço meio-doce 0,30 a 040 Aço meio-duro 0,40 a 0,60 Aço duro 0,60 a 0,70 Aço extra-duro 0,70 a 1,00 Fonte: FREIRE (1983). Atualmente, devido a grande variedade de tipos de aços, foram criados sistemas para a sua classificação, os quais periodicamente são submetidos a revisões (CHIAVERINI, 2002). Dessa forma, os aços podem ser classificados em grupos baseados em nos seguintes itens: composição, como aços-carbono e aços-liga; processo de acabamento, como aços laminados a quente ou aços laminados a frio; e forma do produto acabado, como barras, chapas grossas, chapas finas, tiras, tubos ou perfis estruturais. Uma das classificações mais generalizadas é a que considera a composição química dos aços, e dentre os sistemas de designação conhecidos são muitos utilizados o da AISI ( American Iron and Steel Institute ) e o da SAE ( Society of Automotive Engineers ). Outras designações adotadas são a da ASTM ( American Society for Testing and Materials ) e a da UNS ( Unifield Numbering System ). Esta última deve-se à ASTM e à SAE, e foi criada para unificar a designação e identificação de metais e ligas metálicas em uso comercial nos Estados Unidos da América. A Tabela 3.8 mostra as designações AISI e SAE, as quais coincidem, bem como a designação UNS correspondente, para alguns aços. O sistema AISI/SAE é composto de quatro ou cinco algarismos, onde os dois primeiros diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença somente de carbono como principal elemento de liga (além das impurezas normais), ou de outros elementos de liga, como o níquel, o cromo, o molibdênio etc., além do próprio carbono. Os dois ou três algarismos finais (XX ou XXX) correspondem a valores indicadores dos teores de carbono (número de centésimo de porcento). O sistema de numeração unificado (UNS) é usado para indexar de maneira uniforme tanto as ligas ferrosas como as ligas não ferrosas. Cada número UNS consiste em um prefixo contendo uma única letra, seguido por um número com cinco algarismos. A letra é um indicativo da família de metais à qual uma liga pertence. A designação UNS para esses aços começa com um G, seguido pelo número AISI/SAE; o quinto algarismo é um zero. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 86

27 Tabela 3.8 Sistemas SAE, AISI e UNS, de designação dos aços. Designação AISI-SAE UNS 10XX G10XXX 11XX G11XXX 12XX G12XXX 15XX G15XXX 13XX G13XXX 40XX G40XXX 41XX G41XXX 43XX G43XXX 46XX G46XXX 47XX G47XXX 48XX G48XXX 51XX G51XXX E51100 GE51986 E52100 GE XX G61XXX 86XX G86XXX 87XX G87XXX 88XX G88XXX 9260 G9260X 50BXX G50XXX 51B60 G B45 G BXX G94XXX Tipos de aço Aços-carbono comuns Aços de usinagem fácil, com alto S Aços de usinagem fácil, com alto P e S Aços-Mn com manganês acima de 1% Aços-Mn com 1,75%Mn médio Aços-Mo com 0,25%Mo médio Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1%Cr e 0,08 a 0,35%Mo Aços Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2%Ni, 0,4 a 0,9%Cr e 0,2 a 0,3%Mo Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2%Ni e 0,15 a 0,3%Mo Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05%Ni, 0,45%Cr e 0,2%Mo Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75%Ni e 0,2 a 0,3%Mo Aços-Cr com 0,7 a 1,1%Cr Aços-Cr (forno elétrico) com 1%Cr Aços-Cr (forno elétrico) com 1,45%Cr Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95%Cr e 0,1 ou 0,15%V min Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55%Ni, 0,5%Cr e 0,2%Mo Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55%Ni, 0,5%Cr e 0,25%Mo Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55%Ni, 0,5%Cr e 0,3 a 0,4%Mo Aços-Si com 1,8 a 2,2%Si Aços-Cr com 0,2 a 0,6%Cr e 0,0005 a 0,003%B Aços-Cr com 0,8%Cr e 0,0005 a 0,003%B Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3%Ni, 0,45%Cr, 0,12%Mo e 0,0005 a 0,003%B Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45%Ni, 0,4%Cr, 0,12%Mo e 0,0005 a 0,003%B Exemplos: Designação AISI/SAE - Classe 1045 aço-carbono com 0,45%C em média; - Classe 4025 aço-molibdênio com 0,25%C em média. Designação UNS - Classe G10450 aço-carbono com 0,45%C em média; - Classe G40250 aço-molibdênio com 0,25%C em média. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 87

28 Muitos aços-ligas são igualmente especificados pela sua endurecibilidade quando essa característica é exigida, empregando-se, nesse caso, o sufixo H ( hardenability ) para distingui-los dos tipos correspondentes que não apresentam essa exigência. As letras B, C ou E colocadas antes dos números, significam tratar-se de aço produzido pelo processo Bessemer ácido, pelo processo Siemens-Martin básico ou produzido em forno elétrico básico, respectivamente. A letra B no meio dos números do código significa aço contendo boro. Os aços de alto teor de liga, como os inoxidáveis, refratários etc., são designados de outro modo. A ASTM designa os aços de forma diferente. Esta sociedade possui uma relação de especificações que descrevem os aços adequados para as diversas aplicações. Os aços ASTM A131, por exemplo, são aços estruturais de qualidade naval de alta resistência; os aços ASTM A36 e A283 são aços para aplicação em componentes estruturais onde as propriedades físicas são bem definidas para permitirem sua utilização em projetos que exigem dobramento e boa soldabilidade. Outra designação bastante utilizada é a normalizada pelo DIN Werkstoff Number. A norma DIN classifica os aços para propósitos estruturais gerais em função do seu limite de resistência à tração; a designação St 44, por exemplo, corresponde a um aço com limite de resistência à tração entre 44 e 59 kgf/mm 2 (430 e 580 MPa), quando o produto possuir espessura menor que 3 mm. A norma DIN classifica os aços de acordo com a composição química; a designação C55, por exemplo, significa aço-carbono com a seguinte composição: 0,52-0,60%C; 0,40%Si(máx.); 0,60-0,90%Mn; 0,45%P(máx.); 0,45%S(máx.); a designação 34 CrMo4 corresponde ao aço com a composição: 0,30-0,37%C; 0,40%Si(máx.); 0,60-0,90%;Mn; 0,35%P(máx.); 0,3%S(máx.); 0,90-1,20%Cr; 0,15-0,30Mo; equivalente ao tipo AISI 4135 ou UNS G No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), por intermédio das normas NBR 6006, classifica os aços-carbono e os de baixo teor de liga segundo os critérios adotados pela AISI/SAE (CHIAVERINI, 2002) Classificação geral dos aços É muito difícil se estabelecer uma classificação precisa e completa para todos os tipos de aços. Mesmo para os aços-carbono comuns, os sistemas usuais de classificação (AISI, SAE, UNS, ABNT etc.) cobrem apenas os aços com teores médios de carbono até 1%. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 88

29 Nos aços que contêm elementos de liga, a elaboração de sistemas de classificação é mais difícil, em função do constante acréscimo de novos tipos (não só com modificações nos teores dos elementos de liga, mas com a presença de novos elementos de liga). Para os tipos mais comuns de aços e para aqueles cujos teores de elementos de liga são relativamente baixos, as associações técnicas já elaboraram sistemas de classificação que atendem satisfatoriamente as necessidades do meio (como estudado anteriormente). Essas classificações especificam principalmente as composições químicas dos aços, subdivididos em inúmeros grupos, abrangendo dezenas de análises químicas diferentes. CALLISTER (2002) subdivide os aços, de uma maneira geral, como de baixa e de alta liga. No caso dos aços de baixa liga, ele ainda os subdivide de acordo com a concentração de carbono em três grandes grupos: aços de baixo teor de carbono, aços de médio teor de carbono e aços de elevado teor de carbono. a) Aços com baixo teor de carbono De todos os tipos de aço baseados no teor de carbono, estes são os produzidos em maior quantidade. Contêm um teor de carbono geralmente inferior a aproximadamente 0,25%C em peso, e não aceitam tratamentos térmicos para a formação de martensita. O aumento de resistência mecânica nesses aços é conseguido por meio de trabalho a frio. As microestruturas desse tipo de aço consistem nos microconstituintes ferrita e perlita. Consequentemente, essas ligas são relativamente moles e fracas, porém possuem ductilidade e tenacidade excepcionais; são usináveis, soldáveis e, dentre todos os tipos de aços, são os mais baratos de serem produzidos. Suas aplicações incluem os componentes de carcaça de automóveis, formas estruturais e chapas usadas em tubulações, edificações, pontes e latas estanhadas. Em geral, esses aços possuem limites de escoamento em torno de 275 MPa, limite de resistência à tração entre 415 e 550 MPa e ductilidade de 25%AL. A Tabela 3.9 mostra a composição química e as propriedades mecânicas para alguns aços desse grupo. Um outro grupo de aços com baixo teor de carbono é formado pelos aços de alta resistência e baixa liga (ARBL ou HSLA High-Strength, Low Alloy ). Esses aços contêm outros elementos de liga, tais como o Cu, o V, o Ni e o Mo, em concentrações combinadas que podem ser tão elevadas quanto 10% em peso, e possuem maior resistência que os açoscarbono comuns com baixo teor de carbono. A maioria desses aços pode ter a sua resistência aumentada por tratamento térmico, proporcionando limites de resistência à tração superiores a 480 MPa; além disso, são dúcteis, UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 89

30 conformáveis, e podem ser usinados. Em meios atmosféricos normais, os aços HSLA são mais resistentes à corrosão que os aços-carbono comuns, os quais eles substituíram em muitas aplicações onde a resistência estrutural é um fator crítico, como por exemplo, pontes, torres, colunas de suporte em prédios altos, e vasos de pressão. A Tabela 3.9 também relaciona a composição química e as propriedades mecânicas para alguns desses aços. Tabela 3.9 Designações, composição química, propriedades mecânicas de material laminado a quente, e aplicações para alguns aços-carbono e aços de alta resistência e baixa liga Designação Composição (% em peso) Propriedades mecânicas Número AISI/SAE ou ASTM Número UNS C Mn Outros Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Aços-carbono comuns com baixo teor de carbono Ductilidade (%AL, em 50 mm) Aplicações típicas 1010 G ,10 0, Painéis de automóveis, pregos e arames 1020 G ,20 0, Tubos, aço estrutural e em chapas A36 K ,29 1,00 0,20Cu (mín.) Estrutural (pontes e edificações) A516 Classe 70 K ,31 1,00 0,25Si Vasos de pressão para baixas temperaturas Aços de alta resistência e baixa liga A440 K ,28 1,35 0,30Si (máx.); 0,20Cu(mín.) A633 Classe E K ,22 1,35 0,30Si; 0,08V; 0,02N; 0,03Nb A656 Classe 1 K ,18 1,60 0,60Si; 0,1V; 0,20Al; 0,015N Fonte: CALLISTER, Estruturas aparafusadas ou rebitadas Estruturas usadas para baixas temperaturas ambiente Chassis de caminhões e vagões de trens b) Aços com médio teor de carbono Essas ligas possuem teores de carbono que variam entre 0,25 e 0,60% em peso. Podem ser tratadas termicamente por austenitização, têmpera, e posterior revenimento para melhorar UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 90

31 as suas propriedades mecânicas. São utilizadas mais freqüentemente na condição revenida, tendo as microestruturas da martensita revenida. Os aços-carbono comuns com médio teor de carbono possuem baixas endurecibilidades e podem ser termicamente tratados com sucesso somente em seções muito delgadas e com taxas de resfriamento muito rápidas. Adições de Cr, Ni e Mo melhoram a capacidade dessas ligas de serem termicamente tratadas, dando origem a uma variedade de combinações resistência-ductilidade. Essas ligas termicamente tratadas são mais resistentes do que os aços com baixo teor de carbono, porém com o sacrifício de ductilidade e tenacidade. As suas aplicações incluem as rodas e os trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas e componente estruturais de alta resistência que exigem uma combinação de elevada resistência mecânica, resistência à abrasão e tenacidade. A Tabela 3.10 apresenta as características mecânicas, bem como as aplicações típicas, de vários desses aços, os quais foram temperados e revenidos. c) Aços com alto teor de carbono Possuem normalmente teores de carbono entre 0,60 e 1,4% em peso; conseqüentemente são mais duros, mais resistentes e menos dúcteis dentre todos os aços carbonos. São quase sempre utilizados em uma condição endurecida e revenida e, como tal, são especialmente resistentes ao desgaste e à abrasão, e capazes de suportar um fio de corte afilado. Os aços para ferramentas e matrizes são aços com alto teor de carbono, contendo geralmente Cr, V, W e Mo. Esses elementos se combinam com o carbono para formar compostos à base de carbeto que são muito duros e resistentes ao desgaste e à abrasão (por exemplo, Cr 23 C 6, V 4 C 3 e WC). Esses aços são utilizados como ferramentas de corte e matrizes para a modelação e a conformação de materiais, como também para a fabricação de facas, lâminas de corte, lâminas de serras para metais, molas e arames com alta resistência. A Tabela 3.11 mostra a composição de alguns aços para ferramentas, bem como suas aplicações. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 91

32 Tabela 3.10 Designações, propriedades mecânicas e aplicações típicas para alguns açoscarbono e aços-liga temperados e revenidos Número AISI/SAE Número UNS Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Aços-carbono com médio teor de carbono Ductilidade (%AL em 50 mm) Aplicações típicas 1040 G Virabrequins, parafusos 1080 G Talhadeiras, martelos 1095 G Facas, lâminas de serra para metais Aços-liga 4063 G Molas, ferramentas manuais 4340 G Buchas, tubulações em aeronaves 6150 G eixos, pistões, engrenagens Fonte: CALLISTER, Tabela 3.11 Designações, composições e aplicações para alguns aços-ferramenta Número Número Composição (% em peso) Aplicações típicas AISI/SAE UNS C Cr Ni Mo W V Brocas; serras; 0,30 M1 T ,85 3,75 8,70 1,75 1,20 ferramentas de torno máx. e plaina A2 T ,00 5,15 D2 T ,50 12,00 O1 T ,95 0,50 S1 T ,50 1,40 W1 T ,10 Fonte: CALLISTER, ,15 máx. 0,30 máx. 0,30 máx. 0,30 máx. 0,30 máx. 0,20 máx. 1,15-0,35 0, ,50 0,50 máx. 0,10 máx. 1,10 máx. 0,30 máx. 2,25 0,25 0,15 máx. 0,10 máx. Punções, matrizes para gravação em relevo Cutelaria, matrizes de estiramento Folhas de tesoura, ferramentas de corte Corta-tubos, brocas para concreto Ferramentas de ferreiro, ferramentas para madeira d) Aços de alta liga Dentro desse subgrupo estão incluídos os aços inoxidáveis. Esses aços são altamente resistentes à corrosão em uma variedade de ambientes, especialmente a atmosfera ambiente. Seu elemento de liga predominante é o cromo, cuja concentração necessária para prover as propriedades de resistência à corrosão é de pelo menos 12% em peso. A resistência à corrosão pode também ser melhorada com adições de níquel e molibdênio UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 92

33 De acordo com a microestrutura que apresentam à temperatura ambiente, e com a possibilidade de endurecimento por precipitação, os aços inoxidáveis existentes podem ser divididos em quatro grandes grupos principais, facilitando a seleção do material e a sua adequação ao tipo de aplicação exigida, os quais são denominados de ferríticos, martensíticos, austeníticos e endurecíveis por precipitação (BRESCIANNI FILHO, 1986; BOTTREL COUTINHO, 1992, SMITH, 1998). Entretanto, a classificação mais simples e mais usada dos aços inoxidáveis leva em consideração somente a sua microestrutura e, dessa forma, apenas os três primeiros grupos serão aqui considerados. d.1) Aços inoxidáveis ferríticos São assim denominados porque a sua estrutura mantém-se essencialmente ferrítica (CCC, do tipo ferro-α) após os tratamentos térmicos normais. Esses aços estão compreendidos numa faixa de composição de cromo ampla correspondente à fase alfa, com cerca de 12 a 30% desse elemento, e possuem um teor de carbono máximo de 0,20%. O cromo, que também apresenta estrutura CCC, como a ferrita-α, amplia a região da fase α em detrimento da fase γ (austenita), tendo como conseqüência a formação de uma pequena região de estabilidade da austenita e um intervalo de composição ampla de existência da ferrita no diagrama de fases Fe-Cr (Figura 3.19). Assim, os aços ferríticos, por possuírem teores de cromo superiores a 12%, não sofrem a transformação CFC CCC durante o resfriamento, obtendo-se, para esses aços, soluções sólidas de cromo em ferro-α desde temperaturas elevadas. Figura 3.19 Diagrama de fase Fe-Cr (adaptada de METALS HANDBOOK ASM, 1973). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 93

34 Como não contêm o elemento níquel, os aços ferríticos são relativamente baratos, sendo utilizados principalmente em aplicações que necessitem de materiais de boa resistência à corrosão e ao calor. De um modo geral, os aços inoxidáveis ferríticos podem ser utilizados em aplicações que não requeiram endurecimento, pois como o teor de carbono é baixo, a faixa austenítica fica totalmente eliminada e, em conseqüência, esses aços não são endurecíveis por têmpera. d.2) Aços inoxidáveis martensíticos São fundamentalmente ligas Fe-Cr com o teor de cromo variando entre 12 e 17% e o teor de carbono entre 0,15 e 1,00%. A adição de carbono nesta quantidade amplia a restrita região da fase gama, tornando possível a transformação martensítica a partir da estrutura austenítica com o tratamento de têmpera. Esses aços recebem a denominação de martensíticos em virtude de possuírem a capacidade de desenvolver uma estrutura martensítica quando submetidos ao tratamento de austenitização e têmpera. Em função da estrutura martensítica, tais aços apresentam elevada resistência mecânica e dureza; entretanto, a resistência à corrosão é relativamente baixa quando comparada aos aços do tipo ferríticos e austeníticos. Portanto, a seleção entre um aço ferrítico ou austenítico e um martensítico é feita em função do compromisso entre as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão (BRESCIANI FILHO, 1986). d.3) Aços inoxidáveis austeníticos São assim denominados em virtude de possuírem uma estrutura austenítica (CFC, tipo ferro-γ) mesmo à temperatura ambiente. São essencialmente ligas ternárias Fe-Cr-Ni, contendo cerca de 16 a 25% Cr e 7 a 20% Ni. A presença do elemento níquel, que tem uma estrutura CFC, impede a transformação CFC CCC no resfriamento, permitindo assim que a estrutura CFC se mantenha à temperatura ambiente. Os aços inoxidáveis austeníticos normalmente têm melhor resistência à corrosão que os ferríticos e os martensíticos. No entanto, se essas ligas forem soldadas ou resfriadas lentamente a partir de temperaturas elevadas até o intervalo de 870 C a 600 C, elas podem se tornar suscetíveis à corrosão intergranular, devido à precipitação de carboneto de cromo nos contornos de grão. Isto pode ser evitado para alguns tipos de aço austenítico pela diminuição do teor de carbono para cerca de 0,03% (tipo 304L) ou pela adição de um elemento de liga, tal como o nióbio (tipo 347), para se combinar com o carbono da liga (SMITH, 1998; CHIAVERINI, 2002). A adição de molibdênio melhora a capacidade desses materiais de resistir à corrosão em soluções de cloretos (corrosão por pites). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 94

35 Os aços inoxidáveis austeníticos apresentam elevada capacidade de deformação em função de sua estrutura cristalina CFC. Como estes materiais, por serem austeníticos, não são endurecíveis por têmpera, o aumento da dureza e resistência mecânica somente será possível por encruamento; entretanto, à medida que o teor de níquel aumenta, o efeito do encruamento é menos pronunciado, tendo em vista a atuação estabilizadora deste elemento (CHIAVERINI, 2002). Atualmente, uma das designações mais utilizadas na designação dos aços inoxidáveis é a UNS ( Unified Numbering System ). Nesse sistema de designação, a maioria dos aços inoxidáveis é identificada pela letra S à frente dos cinco algarismos do sistema. CHAVERINI (2002) classifica os aços de três modos diferentes: de acordo com a composição química, de acordo com a estrutura e de acordo com a aplicação. a) Classificação de acordo com a composição química De acordo com essa classificação os aços poderiam ser divididos nos seguintes subgrupos: aços-carbono, aços-liga de baixo teor em liga, aços-liga de alto teor em liga, e açoliga de médio teor em liga. Aços-carbono: Aqueles em que estão presentes o carbono e os elementos residuais nos teores considerados normais. Aços-liga de baixo teor em liga: Aqueles em que os elementos residuais estão presentes em teores acima dos normais, ou onde ocorre a presença de novos elementos de liga com teores que não ultrapassem um valor determinado; nestes casos, a quantidade total de elementos de liga não é suficiente para alterar profundamente as estruturas dos aços resultantes, assim como a natureza dos tratamentos térmicos a que devam ser submetidos. Aços-liga de alto teor em liga: Aqueles em que o total dos elementos de liga é, no mínimo, de 10 a 12%; nessas condições, não só as estruturas dos aços correspondentes podem ser profundamente alteradas, como igualmente os tratamentos térmicos comerciais sofrem modificações, exigindo ainda técnica e cuidados especiais e, frequentemente, operações múltiplas. Aços-liga de médio teor em liga: São aqueles que poderiam ser considerados como constituindo um grupo intermediário entre os aços-liga de alta e de baixa liga. b) Classificação de acordo com a estrutura Tomando a estrutura como base de classificação, CHIAVERINI (2002) considera os aços divididos nos seguintes subgrupos: perlíticos, martensíticos, austeníticos, ferríticos e carbídicos. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 95

36 Perlíticos: São aqueles sem elementos de liga ou com elementos de liga relativamente baixos (máximo de 5%); suas propriedades mecânicas, em função do teor de carbono e de elementos de liga, podem ser consideravelmente melhoradas por tratamento térmico; também em função do teor de carbono, sua usinabilidade pode ser considerada boa. Martensíticos: Quando o teor de elementos de liga supera 5%; apresentam dureza muito elevada e baixa usinabilidade. Austeníticos: Caracterizam-se por reterem a estrutura austenítica à temperatura ambiente, em função dos elevados teores de elementos de liga austenitizantes tipo A1 (Mn, Ni ou Co); os aços inoxidáveis, os não magnéticos e os resistentes ao calor, por exemplo, pertencem a este grupo. Ferríticos: Caracterizam-se por possuírem elevados teores de certos elementos de liga (Cr, W ou Si) que favorecem a formação da ferrita, mas com baixo teor de carbono; não reagem a têmpera, e no estado recozido caracterizam-se por apresentar uma estrutura predominantemente ferrítica, com eventuais quantidades de cementita. Carbídicos: Caracterizam-se por apresentarem quantidades consideráveis de carbono e elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb e Zr); sua estrutura compõe-se de carbonetos dispersos na matriz que pode ser do tipo sorbítico, martensítico ou austenítico, dependendo da composição química; são usados especialmente em ferramentas de corte e em matrizes. c) Classificação de acordo com a aplicação Aços para fundição: São caracterizados por apresentarem boa combinação de resistência, ductilidade e tenacidade, bem como boa usinabilidade e adequada soldabilidade; muitos são susceptíveis a tratamentos térmicos de têmpera e revenido. Aços estruturais: São aços-carbonos comuns ou com pequenos teores de elementos de liga, apresentando boas ductilidade e soldabilidade, e elevado valor de relação limite de resistência à tração e limite de escoamento. Aços para trilhos: São tipicamente aços-carbono comuns que apresentam características de boa resistência mecânica e boa resistência ao desgaste. Aços para produtos planos (chapas): Devem apresentar excelente deformabilidade, boa soldabilidade, entre outras qualidades. Aços para tubos: Como os anteriores, são normalmente aços-carbono comuns, embora algumas aplicações possam exigir a presença de elementos de liga; em princípio, devem apresentar as mesmas qualidades dos aços para chapas. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 96

37 Aços para barras, arames e fios: Conforme as aplicações podem apresentar características de resistência à tração realmente notáveis. Aços para molas: Possuem elevado limite elástico. Aços de usinagem fácil: Caracterizados por sua elevada usinabilidade, apresentando, para tal, teores acima dos normais dos elementos enxofre (principalmente) e fósforo e, eventualmente, chumbo. Aços para cementação: Normalmente de baixo carbono e baixos teores de elementos de liga, de modo a apresentarem as melhores características para enriquecimento superficial de carbono, além de um núcleo tenaz, depois da cementação e da têmpera. Aços para nitretação: Simplesmente são aços-carbono comuns ou com os elementos de liga cromo, molibdênio e alumínio. Aços para ferramentas e matrizes: Caracterizados por possuírem alta dureza à temperatura ambiente (os tipos mais sofisticados apresentam alta dureza à temperatura elevada), satisfatória tenacidade e onde as propriedades comuns de resistência mecânica e, principalmente, de ductilidade, pouco significado apresentam. Os tipos mais sofisticados apresentam elementos de liga em teores muito elevados, sendo os mais importantes e famosos os aços rápidos, com elevado teor de tungstênio, além de cromo e vanádio e, eventualmente, molibdênio, cobalto e outros elementos de liga. Apresentam alta capacidade de corte. Aços resistentes ao desgaste: Os mais importantes apresentam manganês em quantidade muito acima do normal (entre 10 e 14%), além de alto carbono (entre 1,0 e 1,4%). Aços para mancais: Empregados em mancais de esferas ou roletes. Aços resistentes à corrosão: Também chamados inoxidáveis, apresentam elevados teores de cromo e níquel, elevada resistência à oxidação pelo calor, e mantém as propriedades mecânicas a temperaturas acima da ambiente (às vezes, relativamente elevadas). Aços para fins elétricos: Empregados na fabricação de motores, transformadores e outros tipos de máquinas e aparelhos elétricos; caracterizam-se por apresentarem silício em teores acima dos normais (até 4,75%), ou altos teores de cobalto (até 50%) ou altos teores de níquel. Aços para fins magnéticos: Com alto teor de carbono, cromo médio, eventualmente tungstênio relativamente elevado, eventualmente molibdênio e, para os melhores tipos, elevada quantidade de cobalto (até cerca de 40%); esses aços, quando temperados, apresentam característica de imantação permanente. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 97

38 Aços ultra-resistentes: Desenvolvidos principalmente pela necessidade de aplicações da indústria aeronáutica, mas cuja utilização está se estendendo para outros setores da engenharia; possuem elevada relação resistência/peso; alguns podem apresentar limites de escoamento superiores a 1470 MPa. As excepcionais propriedades mecânicas são conseguidas por meio do emprego de tratamentos térmicos em composições contendo diversos elementos de liga em teores geralmente baixos. Um tipo especial de aço ultraresistente é o aço maraging, em que os elementos de liga estão em teores mais elevados (como níquel até 18% ou mais), além de possuírem cobalto, molibdênio, titânio e baixo carbono. São obtidos por tratamento de endurecimento por precipitação, o que permite atingir-se valores de resistência à tração da ordem de 2745 MPa, além de excelente ductilidade. Aços criogênitos: Caracterizam-se por possuírem resistência ao efeito de baixas temperaturas. Aços sinterizados: Produtos obtidos por metalurgia do pó, incluindo ferro praticamente isento de carbono, aços-comuns e alguns aços especiais, de aplicação crescente na indústria moderna. 3.3 Ferros Fundidos Generalidades Os ferros fundidos são ligas quaternárias de ferro, carbono, silício e manganês, que podem ainda ter outros elementos de liga destinados a melhorar determinadas propriedades. O teor de carbono desses materiais varia entre 2,11 e 6,67% (usualmente, entre 2,5 e 3,8%) e têm um baixo ponto de fusão. Pelo diagrama de equilíbrio Fe-Fe 3 C pode-se ver que para teores crescentes de carbono é cada vez mais baixa a temperatura necessária para a fusão completa dessas ligas, até 4,3%. Além desse limite, a referida temperatura se eleva novamente, à medida que o teor de carbono aumenta. A liga com 4,3%, portanto, é a mais fusível de todas, razão pela qual recebe o nome de eutética. Em função disso, os ferros fundidos com menos de 4,3% são denominados hipoeutéticos e os com mais de 4,3% hipereutéticos. Pelo grau de dureza que apresentam, em função da grande quantidade de carbonetos, os ferros fundidos não podem ser trabalhados a frio ou a quente, não sendo possível, portanto, forjar, laminar, estirar ou mesmo vergar o material, qualquer que seja a sua temperatura. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 98

39 Em virtude desses materiais se fundirem a temperaturas cerca de 300ºC mais baixas que as exigidas para os aços, seu custo de produção é menor, pois o consumo de combustível, bem como o de refratário para o forno, é menor. Por esta razão, são materiais bastante usados, sobretudo na obtenção de peças inteiriças, às vezes de formas complexas, onde a construção mecânica soldada não é possível ou não é econômica. As características de resistência ao desgaste, abrasão e calor, tornam esses materiais adequados para diversos fins onde essas propriedades são significativas. Ao contrário dos metais forjados, os ferros fundidos têm propriedades mecânicas que dependem não só da composição da liga e da microestrutura, mas também da velocidade de resfriamento da fundição, das dimensões e da configuração das peças O carbono nos ferros fundidos O carbono, como elemento de liga principal, está presente nos ferros fundidos sob duas formas: grafita (carbono livre) e carboneto de ferro (carbono combinado - cementita). O teor de carbono no ferro fundido é a soma do carbono combinado com o carbono grafítico (C t = C c + C g ). Estas duas formas, sob as quais o carbono pode apresentar-se, classificam os ferros fundidos, inicialmente, em dois grandes grupos: ferros fundidos brancos e ferros fundidos cinzentos. Quando todo o carbono está sob a forma combinada, a fratura da peça é de aspecto claro, esbranquiçado, daí a denominação ferro fundido branco. Quando parte do carbono está sob a forma de grafita, o aspecto da fratura é escuro, o que deu origem à designação de ferro fundido cinzento. A formação da maior parte da grafita se dá normalmente na solidificação do eutético e depois do metal solidificado, enquanto estiver acima de 700ºC. A grafita, em seção polida, se apresenta ao microscópio sob a forma de veios ou em partículas vermiformes agrupadas. A grafita normalmente se separa no momento da solidificação, mas também pode resultar da decomposição da cementita (Fe 3 C 3Fe + C). A precipitação do carbono na forma de grafita, durante a solidificação, atenua a tendência à contração do metal com o resfriamento, produzindo fundições de boa qualidade. A grafita também permite uma excelente usinabilidade, boa absorção de vibrações e atua como lubrificante nas superfícies de desgaste. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 99

40 3.3.3 Fatores que interferem na formação dos ferros fundidos Dois são os fatores mais importantes que decidem se o ferro fundido, ao solidificar, tornar-se-á branco ou cinzento: a composição química e a velocidade de resfriamento. a) Composição química Os ferros fundidos contêm, além do ferro e do carbono, outros elementos tais como o silício, o manganês, o enxofre e o fósforo, alguns dos quais em proporções mais elevadas do que aquelas encontradas comumente nos aços comuns. Esses elementos, em presença de teores também mais altos de carbono, exercem notável influência sobre a microestrutura e as propriedades dos ferros fundidos, pois é de suas proporções que muito depende se haverá ou não a formação de grafita e, portanto, se o produto resultante será branco ou cinzento. Nos produtos industriais, o carbono está presente em teores que variam entre 2,5 e 3,8%. Com teores baixos há tendência para formar-se o tipo branco; entretanto, à medida que o teor de carbono aumenta as condições para o material se tornar cinzento ficam favorecidas. O silício existe nos ferros fundidos em teores entre 0,5 e 3,5%. A sua função principal é a de promover a formação da grafita (inibindo a formação de cementita) e de determinadas microestruturas. Os elementos grafitizantes (inibidores da formação da cementita) são: Si, Al, Ti e Cu. Os elementos antigrafitizantes (favorecedores da formação de cementita) são: Mo, Mn, Cr e V. O enxofre também tende a combinar-se com o ferro, formando um sulfeto que se deposita nas fronteiras do grão, diminuindo a resistência mecânica; por isso o seu teor deve ser inferior a 0,02%. O manganês tem um efeito de neutralizar a ação do enxofre, formando com este MnS, tornando-o um elemento necessário na composição. Também atua como desoxidante; no entanto, por ser antigrafitizante, a sua presença deve ser limitada nos ferros fundidos cinzentos (0,5% < Mn < 1,5%). O fósforo aumenta a fluidez a quente e diminui a temperatura de fusão do ferro fundido, o que permite moldar peças de paredes mais finas e de contornos mais nítidos; entretanto, aumenta a fragilidade da peça. O seu teor máximo deverá ser de 1,5%, mas normalmente não ultrapassa 0,35%. A equivalência do efeito dos elementos de liga Si, P e Mn, relativamente ao C, pode ser avaliada por meio de uma fórmula empírica que fornece o Carbono equivalente. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 100

41 C eq = % C total + 0,312 (% Si) + 0,33 (% P) 0,66 (% Mn) b) Velocidade de resfriamento Como a decomposição da cementita (em ferro γ e grafita) necessita de certo tempo para ocorrer, embora muito curto em altas temperaturas, pode-se atenuá-la, ou mesmo evitála totalmente, por meio de um resfriamento rápido desde o início da solidificação. A velocidade de resfriamento depende de dois fatores principais: material do molde e espessura das peças fundidas. Moldes de areia permitem um resfriamento lento, ao passo que moldes metálicos, chamados coquilhas, provocam um resfriamento rápido, especialmente se forem espessos. Como o resfriamento lento favorece a formação de grafita, as peças mais espessas, que resfriam mais devagar, terão mais grafita, ou grafita mais desenvolvida, do que as peças pequenas ou de paredes delgadas. Também, na porção interna da peça, que leva mais tempo para esfriar, os veios de grafita serão maiores Tipos de ferros fundidos Os ferros fundidos apresentam uma extensa gama de resistências mecânicas e de durezas, e na maioria dos casos são de fácil usinagem. Através da adição de elementos de liga é possível obter-se excelente resistência ao desgaste, à abrasão e à corrosão, porém, em geral, a resistência ao impacto e a ductibilidade são relativamente baixas, limitando sua utilização em algumas aplicações. De acordo com a composição química e com a distribuição de carbono na sua microestrutura, os ferros fundidos podem ser classificados em quatro grandes categorias: a) Ferro fundido cinzento É utilizado no estado fundido (vazado), para numerosos fins. As lamelas de grafita, que do ponto de vista mecânico atuam como se fossem pequenas trincas, conferem ao metal uma boa usinabilidade, uma vez que as aparas (cavacos) se desprendem com facilidade. O ferro fundido cinzento tem reduzida resistência mecânica e ductilidade, mas é menos duro e menos frágil que o branco e pode ser trabalhado com ferramentas comuns nos processos de usinagem (torneamento, perfuração, rosqueamento etc.). O ferro fundido branco, todavia, só pode ser trabalhado com ferramentas especiais e, assim mesmo, com dificuldade. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 101

42 O ferro fundido cinzento apresenta apreciável resistência à corrosão. A resistência à corrosão na presença de água salgada é superior à dos demais ferros fundidos, porque as lamelas de grafita criam uma barreira à libertação dos produtos de corrosão e, em conseqüência, limitam a deterioração do material. As lamelas de grafita conferem aos ferros fundidos cinzentos uma elevada capacidade de amortecimento, o que é importante na absorção das vibrações. Esses materiais possuem mais capacidade de amortecer vibrações do que o aço. A disposição dos veios da grafita e a sua baixa resistência comprometem seriamente a coesão do conjunto, principalmente quando os veios são grandes ou muito agrupados, de modo que também o ferro fundido cinzento comum, se bem que possa ser trabalhado, não pode ser deformado ou dobrado e resiste mal aos choques, embora melhor que os do tipo branco. Devido à existência da grafita, que é um lubrificante sólido, os ferros fundidos cinzentos têm propriedades autolubrificantes, o que é interessante em algumas aplicações onde o baixo coeficiente de atrito é importante, como no caso de transmissões por engrenagens. A norma DIN 1691 especifica os ferros fundidos cinzentos pela designação GG seguida de um número que representa a tensão de ruptura mínima em kg/mm 2. O material designado GG18, por exemplo, corresponde a um ferro fundido cinzento com σ r 18 kg/mm 2 (~ 176 MPa). A tensão de ruptura à compressão é muito superior à tensão de ruptura à tração, superando até os aços de baixa liga quando normalizados. Esses materiais mantêm as propriedades de resistência mecânica entre os 184ºC e os 426º C. Ao contrário da maioria dos metais ferrosos, o módulo de elasticidade dos ferros fundidos cinzentos não é constante, reduzindo-se com o aumento do alongamento, variando entre 8450 a kg/mm 2 (~ a MPa). A sua utilização é muito variada, desde blocos de motores a êmbolos, corpos de válvulas, volantes, prensas, transmissões por engrenagens, corpos de bombas e de equipamentos do convés de embarcações etc. O teor de carbono dos ferros fundidos cinzentos comuns é da ordem de 2,7 a 3,7% e o de silício de 1 a 2,8%. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 102

43 b) Ferro fundido branco É obtido por resfriamento rápido, originando a cementita. Por isso, é demasiado duro para ser usinado (só pode ser trabalhado com ferramentas especiais e, assim mesmo, com dificuldade), o que faz com que a peça desse material seja obtida já na sua forma final. Tem boa resistência ao desgaste e à abrasão, o que o torna de grande uso nas aplicações em equipamentos de construção civil, agrícola etc. Apresenta uma superfície de fratura de aparência frágil. O emprego do ferro fundido branco se restringe aos casos em que se busca dureza e resistência ao desgaste muito altas sem que a peça necessite ser ao mesmo tempo dúctil. Por isso, dos dois tipos de ferro fundido, o cinzento é o mais usado. A Figura 3.20 mostra microestruturas dos dois tipos de ferro fundido: ferro fundido cinzento (a) e ferro fundido branco (b). (a) Figura Na figura (a) observam-se veios/lamelas de grafita numa matriz com pequena porção de ferrita limpa e predominância de perlita (ferro fundido cinzento). Na figura (b), o constituinte branco é o carboneto de ferro e as áreas cinzentas a perlita (ferro fundido branco). (COLPAERT, 1974). c) Ferros fundidos nodulares ou esferoidais Também chamados de dúcteis, apresentam uma estrutura obtida diretamente da fundição de ferro fundido cinzento, adicionando uma pequena quantidade de magnésio e césio, elementos que fazem precipitar nódulos de grafita que crescem na direção radial, com o resfriamento; esta tendência é dificultada pela presença de MnS. Esses materiais são cada vez mais utilizados e têm boas propriedades mecânicas e ótimas propriedades de fundição e usinagem. A norma DIN 1693 especifica estes materiais por meio das letras e números GGG-XX (onde XX corresponde à tensão de ruptura mínima, em kg/mm 2 ). (b) UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 103

44 Apresentam boa resistência ao desgaste, elevado módulo de elasticidade, elevada usinabilidade e resistência à fadiga; também apresentam melhor resistência ao choque e aos esforços estáticos do que o ferro fundido cinzento; em contrapartida, possuem menor capacidade de amortecimento de vibrações e menor condutibilidade térmica. Podem atingir tensões de ruptura superiores a 800 MPa (~ 82 kg/mm 2 ). São usados em carcaças de válvulas e de bombas, caixas redutoras, etc. A Figura 20-a mostra a estrutura de um ferro fundido dúctil. As boas propriedades desses materiais devem-se à presença de nódulos esféricos de grafita na sua microestrutura, que geralmente no caso dos ferros não ligados, são compostas da seguinte forma: nódulos esféricos de grafite rodeados por ferrita numa matriz de perlita, conforme mostram as figuras abaixo. d) Ferros fundidos maleáveis São obtidos a partir de ferro fundido branco, submetidos a tratamento térmico após vazamento (800 a 1000º C) para eliminação de cementita. Contém aproximadamente 0,6% a 1% de Si, suficiente para promover a decomposição da cementita durante o tratamento térmico, mas insuficiente para originar lamelas de grafite durante a solidificação. A norma DIN 1692 especifica esses materiais por meio das letras GT_. O ferro fundido maleável de núcleo branco (GTW) é obtido por aquecimento da peça vazada em atmosfera oxidante para descarbonetar as camadas superficiais (redução do teor de carbono). O ferro fundido maleável de núcleo negro (GTS) é obtido por aquecimento da peça a cerca de 900ºC, em ambiente neutro, durante horas, a fim de decompor a cementita em nódulos de grafita em forma de rosetas, que não têm o efeito prejudicial do trincamento das lamelas de grafita. Uma vez que este ferro fundido consegue apresentar propriedades semelhantes às do aço de construção, é muito utilizado em engenharia em geral e em máquinas agrícolas. Apresentam uma elevada tenacidade, boas propriedades de fundição e excelente usinabilidade. A Figura 3.21-b mostra uma microestrutura de um ferro fundido maleável, onde se observa nódulos de grafita numa matriz ferrítica. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 104

45 (a) (b) Figura 3.21 Microestruturas de ferros fundidos: dúctil (a) e maleável (b). (COLPAERT, 1974). A Tabela 3.12 ilustra os intervalos de composição química dos ferros fundidos típicos, não ligados. Tabela 3.12 Composição dos ferros fundidos típicos C Si Mn S P Cinzento 2,5-4,0 1,0-3,0 0,25-1,0 0,02-0,25 0,05-1,0 Branco 1,8-3,6 0,5-1,9 0,25-0,80 0,06-0,20 0,06-0,18 Maleável 2,0-2,6 1,1-1,6 0,20-1,0 0,04-0,18 0,18 máx. Dúctil 3,0-4,0 1,8-2,8 0,10-1,0 0,03 máx. 0,10 máx. Algumas literaturas fazem também referência ao ferro fundido mesclado e ao coquilhado, que serão descritos na seqüência, e aos especiais, que serão estudados em outro item. Assim: e) Ferro fundido mesclado É o ferro fundido intermediário entre o branco e o cinzento. O aspecto de sua fratura é característico e apresenta um fundo de tonalidade clara, que corresponde à parte branca, salpicado de numerosas áreas escuras, que constituem a parte cinzenta. É um material com propriedades mecânicas interessantes; muito utilizado, por exemplo, para sapatas de freios em trens e bondes. f) Ferro fundido coquilhado No caso de se fazer o vazamento em molde metálico (coquilha), ou parcialmente metálico, o ferro fundido, que se resfria rapidamente em contato com as partes metálicas, resultará do tipo branco; nas outras regiões, onde o resfriamento é mais lento (parte em areia), será do tipo cinzento. UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 105

46 Na transição da parte branca para a cinzenta se encontra uma zona de ferro fundido mesclado. Peças que apresentam essa formação são denominadas ferro fundido coquilhado. Esse processo permite fundir peças que sejam brancas onde se deseja grande dureza, e cinzentas onde se busca atenuar a fragilidade. Deste modo são fabricados, por exemplo: cilindros de certos laminadores que precisam ter uma grande dureza na superfície e permitir nesta um polimento perfeito; certas rodas de vagões de carga, que são brancas apenas na superfície de rolamento e cinzentas na parte restante; mandíbulas de alguns trituradores, certas peças de máquinas etc. Convém salientar, que para se obter resultados satisfatórios nesses casos, a composição química do material deve preencher determinadas condições, de modo que a transição entre os dois tipos de ferros fundidos seja o quanto possível gradual Constituição dos ferros fundidos brancos Como mencionado anteriormente, os ferros fundidos podem apresentar o seu carbono sob duas formas distintas: totalmente sob a forma de cementita ou parcial ou totalmente sob a forma de grafita. A forma totalmente decomposta ferro e grafita é a mais estável que os ferros fundidos podem adquirir, e neste caso, se diz que o material encontra-se em equilíbrio estável. Sob a forma totalmente combinada, como ocorre nos ferros fundidos brancos, há certa estabilidade quando prevalecem determinadas circunstâncias; esta estabilidade condicional é designada por equilíbrio metaestável. Os ferros fundidos cinzentos não pertencem propriamente a nenhum desses equilíbrios, pois todos têm grafita e quase todos perlita, em cuja microestrutura entra carbono combinado. O diagrama de equilíbrio universalmente usado refere-se ao equilíbrio metaestável; portanto, corresponde aos ferros fundidos brancos. O Diagrama estável é indicado, às vezes, superposto em linhas pontilhadas deslocadas um pouco para cima e para a esquerda, conforme mostra a Figura UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 106

47 Figura Diagrama de equilíbrio Fe-C, mostrando em pontilhado o diagrama estável ferro-grafita (METALS HANDBOOK - ASM, 1973). a) Ferros fundidos hipoeutéticos Seja, por exemplo, um ferro fundido com 3% de carbono total, em vias de solidificar-se, e que à temperatura ambiente será branco, conforme mostra o diagrama da Figura Figura Diagrama de equilíbrio Fe-C (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003). UFPA ITEC Faculdade de Engenharia Mecânica Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes 107