Tiago Cruztiagoitajai@gmail.com

Materiais 1Materiais 1

MetaisMetais

DefiniçãoDefinição

Elemento, substância ou liga

Elemento químico que forma aglomerados de átomos com caráter metálico.

DefiniçãoDefinição

Os metais são materiais sólidos* que, na temperatura ambiente, possuem alta densidade, refletem a luz quando polidos e apresentam uma grande resistência mecânica

São encontrados, em sua maioria, na natureza sob a forma de óxidos, exceto os chamados metais raros, encontrados puros, como o ouro e a prata. Os óxidos dos metais são conhecidos por minérios, como por exemplo, os minérios de ferro, de alumínio (bauxita) e de magnésio (magnesita), entre outros.

*Exceção*Exceção

Metal líquido:

Mercúrio

Elementos QuímicosElementos Químicos

Carac. FísicasCarac. Físicas

1. Condutibilidade térmica e elétrica alta 2. Maleabilidade (ser transformado em lâminas)

3. Elasticidade (voltar ao normal após ser esticado)

4. Plasticidade (sofrer uma mudança em sua forma mesmo depois que cessa o esforço que a causou)

5. Ductilidade (deformar antes de romper)

6. Alta resistência mecânica7. Alto ponto de fusão e de ebulição8. Grande diversidade de propriedades físicas e químicas, conforme a

pressão, temperatura e outras variáveis9. Brilho10. Alta reciclabilidade11. Resiliência (absorver energia de ordem elástica, armazenando-a e devolvendo-a)

Estrutura CristalinaEstrutura Cristalina

Diferentes tipos de mecanismos e estruturas de cristalização, o que também lhe altera as características.

Estrutura CristalinaEstrutura Cristalina

FCC alumínio, níquel, prata, cobre e ouroDúcteis à temperatura ambiente, permanecem dúcteis a baixas temperaturas

BCC ferro, crómio, vanádio e nióbiotornam-se muito quebradiços a baixas temperaturas

HCP zinco, magnésio, titânio e cádmioApresentam um comportamento intermédio entre as estruturas cristalinas dos tipos FCC e BCC, isto é, podem permanecer dúcteis ou podem tornar-se quebradiças. A baixas temperaturas, enquanto o titânio se mantém dúctil, o zinco torna-se quebradiço.

Estrutura CristalinaEstrutura Cristalina

O tamanho, forma e disposição das partículas metálicas, especificados pela metalografia*, são fundamentais para o reconhecimento das propriedades físicas que determinam a plasticidade, resistência à tração, dureza e outras propriedades do material.

Esses fatores podem ser alterados por tratamentos térmicos (ciclos de aquecimento resfriamento controlados) ou mecânicos (forjamento, trefilação, laminação, etc.).

*Metalografia é o estudo da morfologia e estrutura dos metais.

Classificação de MetaisClassificação de Metais

Metais ferrososaços e ferros fundidos

Metais não ferrososalumínio, cobre, ouro, titânio

Ligas de metais não ferrososlatão, bronze, alpaca

Outro grupo de metais são os sinterizados, obtidos através da metalurgia do pó, que são classificados como cerâmicas avançadas.

Metais FerrososMetais Ferrosos

Metais FerrososMetais Ferrosos

Metais FerrososMetais Ferrosos

São todos aqueles que contêm ferroPodem conter pequenas quantidades de outros elementos, como carbono ou níquel, em uma proporção específica, que são adicionados para alcançar as propriedades desejadasSão geralmente magnéticos e têm alta resistência à tração

Resistência à traçãoResistência à tração

MagnetismoMagnetismo

CarbonoCarbono

Ferro GusaFerro Gusa

É o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto fornoNormalmente contém até 5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto

Mina de Minério de FerroMina de Minério de Ferro

Ferro GusaFerro Gusa

Minério de FerroFe2O 3

Ferro GusaFe

AçoFe + C

Alto fornoAlto forno

Alto fornoAlto forno

minério de ferrocarvãocalcário

ar

gás de alto forno

ferro gusaescória

3Fe2 O3 + CO 2Fe3O4 +CO2

Fe (gusa)

Fe3O4 + CO 3FeO +CO2

FeO + CO Fe +CO2

Metais FerrososMetais Ferrosos

Ferros fundidosBranco: carbono inteiramente combinado com o ferro

Cinzento: carbono quase na totalidade em estado livre

Nodular: carbono (grafite) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal

AçosAço carbono: constituído basicamente por ferro e carbono

Aço-liga: apresentam elementos de ligação adicionados propositadamente para melhorar as propriedades do aço carbono comum

Ferro Fundido x Aço Ferro Fundido x Aço

Ferros fundidoscarbono entre 2,11 e 6,67%

Açoscarbono entre 0,008 e 2,11%

Ferro FundidoFerro Fundido

O ferro fundido é uma liga de ferro em mistura facilmente fundida com elementos à base de carbono e silício.Forma uma liga metálica de ferro, carbono (entre 2,11 e 6,67%), silício (entre 1 e 3%), podendo conter outros elementos químicos.

Ferro Fundido BrancoFerro Fundido Branco

Carbono inteiramente combinado com o ferro

Quando quebrado, a parte fraturada é brilhante e branca;

Tem baixo teor de carbono (2,5 a 3%) e de silício (menos de 1%)

Muito duro, quebradiço e difícil de ser usinado

Funde-se a 11600oC, mas não é bom para a moldagem, pois permanece pouco tempo no estado líquidoSó pode ser trabalhado com ferramentas especiaisÉ usado apenas quando se deseja dureza e resistência ao desgaste muito elevadas como cilindros de laminação, matrizes de estampagem, etc.

Ferro Fundido BrancoFerro Fundido Branco

Ferro Fundido CinzentoFerro Fundido Cinzento

Carbono quase na totalidade em estado livreQuando quebrado, a parte fraturada é escura, devido à grafita

Elevadas porcentagens de carbono (3,5 a 5%) e de silício (2,5%)

Muito resistente a compressão; não resiste bem a traçãoÉ menos duro e menos frágil do que o branco e pode ser trabalhado com ferramentas comuns de oficina.

Apresenta uma boa resistência a corrosão e capacidade superior ao do aço de absorver vibraçõesÉ o mais utilizado em produtos de uso cotidiano

Ferro Fundido CinzentoFerro Fundido Cinzento

Ferro Fundido CinzentoFerro Fundido Cinzento

Ferro Fundido NodularFerro Fundido Nodular

Carbono permanece livre, porém em forma esferoidal

Ductilidade superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço

Boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensionalCusto é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento

É utilizado na indústria para a confecção de peças que necessitem de maior resistência a impactoMaior resistência à tração e à compressão e resistência ao escoamento, característica que os ferros fundidos cinzentos comuns não possuem à temperatura ambiente.

Ferro Fundido NodularFerro Fundido Nodular

Ferro Fundido NodularFerro Fundido Nodular

AçoAço

Liga de Ferro e CarbonoO aço é o mais importante material metálico empregado

industrialmente.Com maior quantidade de carbono são mais duros e podem

ser temperados. Já os aços que possuem pequena quantidade de carbono não adquirem têmpera e são chamados de aços doces.

Têm suas propriedades enriquecidas pela adição de elementos de liga (como manganês, níquel, cromo e molibdênio) dando origem aos chamados aços ligas e melhoram as características do aço, deixando-o adequado a usos específicos.

Tipos de Aço Tipos de Aço

Baixo: < 0,25% (aço estrutural)

Médio: < 0,5% (trilhos de trem)

Alto Carbono: < 1,6% (piano)

Ferro Fundido: < 2,11% propriedades piores que o ferro

Aço Carbono (baixo)Aço Carbono (baixo)

Trilhos, armação de concreto, partes de carros, placas metálicas, latas...

Aço Carbono (médio)Aço Carbono (médio)

Engrenagens, manivelas, eixos, rolamentos...

Aço Carbono (alto)Aço Carbono (alto)

Peças de engenharia de alta performance, facas, patins de gelo...

Identificação de AçosIdentificação de Aços

Modo prático de identificar os aços:

Na parte A, um aço macio (doce) está sendo esmerilhado. Esse

aço desprende fagulhas em forma de riscos. Na parte B, está-

se esmerilhando um aço duro, que desprende fagulhas em

forma de estrelas.

aço doce aço duro

Classificação dos AçosClassificação dos Aços

Classificação dos AçosClassificação dos Aços

Normas SAE (Society of Automotive Engineers), AISI (American Iron and Steel

Institute-EUA) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)

Exemplo:SAE 1045: os dois primeiros algarismos representam o tipo de composição química do aço, os dois algarismos seguintes representam a porcentagem de carbono multiplicada por 100). Ou seja, o aço do exemplo possui 0,45% de Carbono (C).

Tabela para os dois primeiros algarismos:10: aço comum11: aço de usinagem fácil13: aço ao manganês20, 21, 23 e 25: aço ao níquel30, 31, 32, 33 e 34: aço ao níquel-cromo (inoxidáveis)40, 41, 43, 46 e 48: aço ao molibdênio

Elementos de LigaElementos de Liga

Carbono: depois do ferro, é o elemento mais importante. A quantidade de carbono determina o tipo de aço. Influencia a resistência do aço.Manganês: no aço doce, em pequena quantidade, torna-o dúctil e maleável. Nos aços ricos em carbono, endurece o aço e aumenta sua resistência.Silício: faz com que o aço se torne mais duro e tenaz. É elemento purificador que evita a porosidade e ajuda na remoção de gases e óxidos.Fósforo: em teor elevado, torna o aço frágil e quebradiço.

Enxofre: torna o aço granuloso e áspero, enfraquece a resistência do aço.

Aços-LigaAços-Liga

Contêm quantidades específicas de elementos diferentes daqueles normalmente utilizados nos aços comunsA introdução de outros elementos se dá quando é desejado alcançar efeitos específicos dos aços como aumentar a dureza e a resistência mecânica; conferir resistência uniforme através de toda a secção em peças de grandes dimensões; diminuir o peso; conferir resistência à corrosão; aumentar a resistência ao calor; aumentar a resistência ao desgaste; aumentar a capacidade de corte e melhorar as propriedades elétricas e magnéticas

Aços-LigaAços-Liga

A soma de todos esses elementos, inclusive carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre não pode ultrapassar 6%. No caso de elementos como silício, manganês e alumínio, sempre presentes nos aços carbono, os aços são considerados ligados quando seus teores ultrapassarem 0,6%, 1,65% e 0,1%, respectivamente.Costumam ser designados de acordo com o elemento predominante, por exemplo: aço-níquel, aço-cromo, aço-cromo-vanádioPodem ser encontrados em praticamente todos os segmentos industriais, desde a construção civil e naval, passando pela indústria petrolífera, automobilística e aeronáutica.

Esferas de rolamentos, molas, virabrequins, bielas...

Aços-LigaAços-Liga

Elementos de LigaElementos de Liga

Níquel: aumenta a resistência e a tenacidade, além de dar boa ductilidade e boa resistência a corrosão. Teores entre 12 e 21% produzem os aços inoxidáveis.

Manganês: quando adicionado em quantidade conveniente, aumenta a resistência ao desgaste e aos choques, sem perder a ductilidade.

Tungstênio: aumenta a resistência ao calor, a dureza e a resistência a ruptura.

Elementos de LigaElementos de Liga

Molibdênio: produz aços com grande resistência a esforços repetitivos.

Vanádio: melhora a resistência à tração, sem perder a ductilidade, e eleva os limites de elasticidade e de fadiga.

Cobalto: melhora as propriedades magnéticas do aço.

Alumínio: desoxida o aço, forma uma camada superficial dura,que protege o aço

Cromo: fornece ao aço alta resistência, dureza, elevado limite de elasticidade e boa resistência à corrosão. Entre 11 e 17% produz o aço cromo inoxidável.

Aço InoxidávelAço Inoxidável

Liga de Ferro e Cromo, Níquel e mais 4 ou 5 elementos

Possui no mínimo 11% de CromoNão enferruja: resiste à corrosãoCustos muito altosSuperfície pode sofrer tratamento

Aço InoxidávelAço Inoxidável

Equipamento de cozinha, de lavanderia, instrumentos cirúrgicos...

Aços InoxidáveisAços Inoxidáveis

Tipos principais de aços inoxidáveis:

Austeníticos: são aços não temperáveis. Os principais aços desse grupo são o AISI 301 (0,15% C, 16-18% Cr, 6-8% Ni) e AISI 304 (0,8% C, 18-20% Cr, 8-10,5% Ni)

Ferríticos: são aços não temperáveis. Os principais tipos são o AISI 409 (0,03% C, 10,5-11,7% Cr, 0,5% Ni) e AISI 430 (0,12% C, 16-18% Cr, 0,75% Ni). O AISI 430 é o mais utilizado do grupo, sendo aplicado em utensílios domésticos (baixelas, pias e talheres) e eletrodomésticosMartensíticos: são aços de resfriamento rápido e adquirem têmpera em torno de 930 a 1070oC. O principal representante do grupo é o aço AISI 420 (0,15% C, 12-14% Cr, 0,75% Ni)

Pintura: mecanizada com tratamento térmico (apropriada para ambiente interno) e pintura de poliuretano resinado (para ambiente externo). Atualmente também emprega-se a tinta de resina fluoretizada, que resiste ao tempo acima de 20 anos.

Impressão em Silk-screen: permite a pintura em várias cores sem ter que escolher o material de base.

Tratamentos Tratamentos superficiaissuperficiais

Tratamentos Tratamentos superficiaissuperficiais

Etching: gravação de chapas metálicas com produtos químicos. Pode-se usar ou não tintas sobre a gravação.

Blast (jateamento): jateamento de alta pressão, utiliza partículas de alumina processada à quente. Obtém texturas com desenhos irregulares.

Cromalim: semelhante ao off-set, emprega cores distintas para impressão (azul, vermelho, amarelo e preto), obtendo figuras coloridas. Usa na composição resinas de policarbonato e resinas acrílicas.

Tratamentos térmicosTratamentos térmicos

Tratamentos térmicosTratamentos térmicos

É um ciclo de aquecimento e resfriamento realizado nos metais com o objetivo de alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem mudar a forma do produto. O tratamento térmico às vezes acontece inadvertidamente, como “efeito colateral” de um processo de fabricação que cause aquecimento ou resfriamento no metal, como nos casos de soldagem e de forjamento

Tratamentos térmicosTratamentos térmicos

O tratamento térmico é normalmente associado com o aumento da resistência do material, mas também pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de uma operação a frioÉ uma operação que pode auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar o desempenho de produtos, alterando outras características desejáveis

Tratamentos térmicosTratamentos térmicos

Os aços são especialmente adequados para o tratamento térmico, uma vez que:1. respondem satisfatoriamente aos tratamentos, em termos das características desejadas2. seu uso comercial supera o de todos os demais materiais

Os aços são tratados para uma das finalidades:

Amolecimento (softening)

Endurecimento (hardening)

Tratamentos térmicosTratamentos térmicos

Amolecimento Amolecimento (softening)(softening)

É feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais, melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço. Restaurar a ductilidade ou remover as tensões residuais é uma operação necessária quando uma grande quantidade de trabalho a frio tenha sido executada (como laminação a frio ou trefilação).

As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e normalização.

Endurecimento Endurecimento (hardening)(hardening)

É feito para aumentar a resistência mecânica, a resistência ao desgaste e a resistência à fadigaÉ fortemente dependente do teor de carbono do açoA presença de elementos de liga possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria possível quando do uso de aços comuns ao carbono. Os tratamentos de endurecimento do aço são têmpera, austêmpera e martêmpera. Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um endurecimento superficial, que também leva ao aumento da resistência a fadiga

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