Metais Ferrosos e Não Ferrosos EMC 5715 Volume IIƒO-FERROSOS-VOL.2.pdfClassificação dos aços...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACurso de Graduação em Engenharia de Materiais

Metais Ferrosos e Não Ferrosos – EMC 5715

Volume II

Professor: Antonio Pedro Novaes de Oliveira

Classificação dos aços carbono e ligados

Para fins de estudo pode-se classificar os aços de três modos diferentes:

•De acordo com a microestrutura;•De acordo com a composição química;•De acordo com a aplicação.


De acordo com a microestrutura:•Perlíticos;•Martensíticos;•Austeníticos;•Ferríticos;•Carbídicos.

PerlíticosMartensíticos

Carbídicos

Austeníticos

Ferríticos


De acordo com a composição química:•Aços ao carbono: carbono e elementos químicos residuais;•Aços-liga de baixo teor em liga: estão presentes oselementos residuais acima dos teores normais e/ou com apresença de novos elementos de liga, cujo teor total não émaior que 3-3,5%;•Aços-liga de alto teor em liga: teor total dos elementos de liga é maior ou igual a 10-12%;•Aços-liga de médio teor em liga: são considerados como constituindo um grupo intermediário entre os aços de baixo e médio teor em liga.


AISI: American Iron and Steel Institute;ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.XX – Indica teores de carbono, XX/100 (%);B - Aços ao Boro;L – Aços ao Chumbo;

De acordo com a composição química:

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005

Designação AISI/ABNT

Ex.: Tipos de aços

10XX Aços carbono comuns

11XX Aços de usinagem fácil c/ alto S

43XX Aços Cr-Ni-Mo c/ 0,5-0,8% Cr; 1,82 Ni; 0,25% Mo

86XX Aços Ni-Cr-Mo c/ 0,55% Ni; 0,50-0,65% Cr; 0,20% Mo

92XX Aços Si-Mn c/ 1,4-2,0% Si; 0,65-0,87% Mn; 0-0,65% Cr (molas)

XXLXX Aços ao Pb c/ 0,15-0,35% de Pb


De acordo com a aplicação:•Aços para fundição;•Aços estruturais;•Aços para trilhos;•Aços para chapas;•Aços para tubos;•Aços para arames e fios;•Aços para molas;•Aços de usinagem fácil ou de corte fácil;•Aços para cementação;•Aços para nitretação;•Aços para ferramentas e matrizes;•Aços resistentes ao desgaste;•Aços resistentes à corrosão;•Aços resistentes ao calor;•Aços ultra-resistentes;•Aços grafíticos;•Aços criogênicos;•Aços sinterizados.

Impurezas normais nos aços

Fósforo (P): 0,025-0,04 máx. Dissolve-se no Ferro alfa, fragilizando a frio (crescimento de grãoe endurecimento); P=0,4%, produz estrutura “ghost lines” e/ou eutético fosforoso (steadita) –Steadita (Fe3P + Fe3C) tem baixo ponto de fusão 980-1000°C produzindo fragilidade a quentenos processos de fabricação.Enxofre (S): 0,025-0,05: Combina-se com o Fe e Mn formando FeS (Tf=1000°C) e MnS(Tf=1600°C ). FeS pode causar fragilidade a quente.Manganês (Mn): Agente dessulfurante e desoxidante em teores de 025-0,90%, (5Mn:1S).Silício (Si): Dissolve-se no ferro alfa entre 0,05 e 0,30%. Principal função: agente desoxidante.Outras impurezas:Alumínio (Al): Desoxidante (introduzido=0,15%, residual= 0,015-0,025%) formando inclusõesde alumina para controlar tamanho de grão.Hidrogênio (H): Teores de 0,001-0,0001% : ocasiona fragilidade.Nitrogênio (N): Teores acima de 0,01% ocasiona endurecimento por precipitação (formaçãode nitretos de ferro).Oxigênio (O): Formação de óxidos, pontos duros e concentração de tensões levando a umadiminuição da resistência mec. do aço.Outros elementos podem ser encontrados como o Sn, proveniente de sucatas, e/ou Ti, V, Zr, Cr,Cu.

Efeito sobre as propriedades mecânicas dos aços:

Propriedades mecânicas dos aços

Steadita (Fe3C + Fe3P) Estrutura bruta de fusãotextura “ghost lines”

Aço de baixo carbono com diferentes graus de encruamento.

Efeito da microestrutura e impurezas nas prop. mec. dos aços:


Redução (%) = [(Ai – Af)/Ai] x 100

Efeito do grau de encruamento ou deformação:


Constituinte σmax

(kgf/mm2

)

A (%) HB Poder endurecedorcom a têmpera

Ferrita 35 ~40 90 Nenhum

Perlita 85 ~10 250-300 Máximo

Cementita 3 0 650 Nenhum


Propriedades mecânicas dos aços são afetadas:•Composição química;•Microestrutura:

•Trabalho mecânico;•Tamanho de grão;•Velocidade de resfriamento.

Propriedades mecânicas dos microconstituintes dos aços: s:

Fonte: Adaptado de: CHIAVERINI, V. , 2005

Aços para fundição ou fundidos

Praticamente todos os aços ao carbono ou ligados podem ser obtidos porfundição (processo de fusão e solidificação em molde).Requisitos fundamentais:•Homogeneidade, baixo nível de defeitos ao longo da seção das peças;•Granulação fina e regular, completa isenção de tensões internas;•Propriedades mecânicas adequadas. Depende do grau de responsabilidadedas aplicações e são reguladas pelos teores de carbono e eventual adição deelementos de liga e apropriados tratamentos térmicos.


Considerações sobre o projeto metalúrgico de peças fundidas:

•Resistência real do metal, em função da espessura das peças;•Forma da peça: semelhança com outras peças, posição de montagem econdições de serviço;•Espessuras das paredes: o mais uniforme possível;•Previsão de defeitos de solidificação: defeitos ocorrem onde há excesso demassa de metal;•Condições de vazamento do metal líquido (baixa fluidez, contração,resistência mecânica.


Considerações sobre o projeto metalúrgico de peças fundidas:

http://sites.google.com/site/epdprocessos/fundicao


Soldabilidade dos aços fundidos:

Tipos de aço Soldabilidade geral

Pré-aquecimento Recozimento p/ alívio de tensões

•Aço-carbono c/ C<0,30%•Aço-liga de baixo teor emliga (C<0,15%)

Prontamente soldáveis

Desnecessário Desnecessário

•Aço-carbono c/ C entre0,35 e 0,50%•Aço-liga de baixo teor emliga (C entre 0,15 e0,30%)

Soldáveis com precausões

Preferível Preferível

•Aço-carbono c/ C>0,50%•Aço-liga c/ teor em ligaacima de 3% e C>0,30%

Difíceis de soldar

Necessário Necessário


Aços estruturais

Aços estruturais são aços empregados principalmente em construção civil, veículosem geral, equipamento rodoviário, ferroviário, naval, aeronáutico, etc.•Aços ao carbono (80% desta categoria de aços é comum ao carbono, 0,15-0,40%C,e de baixo carbono laminado a quente ou, eventualmente, encruado) e de baixa ligapara fabricação de barras, tiras, cantoneiras vigas em I, U, T, etc.

Requisitos Fundamentais:•Ductilidade e homogeneidade;•Valor elevado da relação entre limite de resistência (40-50 kgf/mm2, A=20%) elimite de escoamento;•Soldabilidade;•Suscetibilidade de corte por chama, sem endurecimento;•Resistência razoável à corrosão;•Baixo custo.

Aços estruturais

Exemplos de perfis:

Aços estruturais


Aços estruturais

Resistência à corrosão atmosférica (0,25% Cu):


Aços para trilhos

Trilhos são componentes/materiais sujeitos a condições relativamente severas dechoques e esforços de flexão alternados e de desgaste da superfície. As extremidadesdos trilhos estão sujeitas a um amassamento produzido pela queda das rodas dostrens em movimento. Este amassamento é atenuado por meio da têmpera superficial;uso de aços ligados (0,02-0,04%Nb) e ao manganês austeníticos nos cruzamentos edesvios onde a linha é muito sobrecarregada. Os aços são em geral ao carbono (0,6-0,8%C).•Mn em teores relativamente maiores (0,60-1,4%) para evitar fragilidade a quente(FeS) já que os trilhos são laminados a quente.•Propriedades típicas:

•Limite de resistência = 98 kgf/mm2

•Limite de escoamento = 60 kgf/mm2;• Alongamento = 9%;•Dureza Brinell = 300;•Resistência ao Impacto = 0,28 kg.m

Aços para chapas

Chapas são materiais caracterizados pela ductilidade e facilidade de conformação. Nãoapresentam, em geral, elevada resistência mecânica já que as cargas normalmentesuportadas limitam-se ao próprio peso. Deveriam apresentar certa resistência àcorrosão atmosférica. Como não apresentam este característico costuma-se aplicarrevestimentos protetores (ex.: zincagem ao fogo ou eletrolítica/galvanização ouestanhadas, folhas de flandres ou esmaltadas).As propriedades destes aços podem ainda ser ajustadas mediante tratamentostérmicos de normalização, recozimento e alívio de tensões.

Requisitos fundamentais:•Elevada trabalhabilidade/ductibilidade c/ prejuízo da resistência mecânica;•Soldabilidade adequada;•Superfície sem defeitos;•Baixo custo.

Aços para chapas

Produtos tipo chapa: Laminadas a quente ou a frio a partir de aços acalmados(~0,15% Al introduzido) ou efervescentes.• Folha: espessura <0,30 mm e largura qualquer;• Tira: 0,30<espessura<5,00 mm e largura <300 mm;• Chapa fina: 0,30<espessura<6,00 mm e largura >300 mm;• Barra chata: espessura >5,00 mm e largura <300 mm;• Chapa grossa: espessura >5,00 mm e largura >300 mm.

Composição química típica:• C: 0,05-0,55% Mn: 0,15-1,50% Si: 0,30-0,50% P+S: <0,05%*Em alguns casos pode-se especificar cobre até 0,20%.Propriedades mecânicas típicas:• Limite de escoamento: 19-40 kgf/mm2;• Limite de resistência: 28-50 kgf/mm2;• Alongamento: 40-14%;• Estricção: 78-65%;• Dureza Brinell: 82-110.

Aços para chapas

Problemas de fabricação:•Linhas de Lüder ou linhas de distensão: linhas alongadas (sob tensão de tração aslinhas apresenta-se como depressões e sob compressão como saliências) que surgemem aços (baixo carbono) recozidos quando laminados com cargas imediatamenteacima a de escoamento do material desaparecendo quando a carga de deformaçãoexcede 5 a 10% do valor que a originou ou passe de laminação a frio (redução de0,5 a 1,5%) depois do recozimento . Não prejudicam a resistência mecânica do açomas influenciam o aspecto estético dos produtos fabricados com chapas. Nos açosacalmados este defeito desaparece permanentemente mas nos aços efervescentespode reaparecer.•Casca de laranja: Superfície grosseira e rugosa após estampagem profunda causadopela utilização de aços de baixo carbono com granulação grosseira. Recomenda-se,neste caso, para eliminar o problema, o uso de aços com granulação entre 5 e 8ASTM. O defeito produzido pode ser eliminado por linchamento/polimento ou comlima.•Variação de espessura: causando problemas dimensionais nas peças produzidas enas ferramentas de estampagem.

Aços para tubos

Tubos são produtos vazados com elevada razão de aspecto (elevada relaçãocomprimento/seção) com seções circulares, quadradas, retangulares, etc..., fabricadosa partir de aços similares aos aços estruturais e para chapas. Finalidade:condução/contenção de líquidos, sólidos e vapores/gases.Processo de fabricação:Tubos inteiriços ou sem costura: tubos fabricados a partir de tarugos os quais sãoperfurados ou extrudados ou fundidos com diâmetros de até 660 mm. Aplicações deelevada responsabilidade como em caldeiras e superaquecedores, refinaria edestilação.Tubos soldados ou com costura: os tubos (com diâmetros de até 762 mm) sãoobtidos a partir de tiras de aço grossas ou finas laminadas a quente e dobradas e suasextremidades soldadas. Aplicações como encanamentos de água, eletrodutos para fioselétricos e telefônicos, fins estruturais e ornamentais.

Aços para tubos

Aços para tubos:Os aços para tubos são comumente de baixo teor de carbono (<0,30%C) e Mn<1,50%. O limite de resistência mecânica, no estado recozido, pode variar de 32 a 50kgf/mm2 com alongamento entre 28 e 18%. No estado trefilado estes aços podemalcançar limites de resistência mecânica de 45 a 65 kgf/mm2 com alongamento entre6 e 4%.Para aplicações a elevadas temperaturas adiciona-se Cr (0,50-10%) para melhorar aresistência à corrosão à oxidação e Mo (0,45-1,10%) para melhorar a resistência afluência.

Aços para tubos

Composições, propriedades e aplicações de produtos tubulares de aço para pressão.


Aços para arames e fios

Arame ou fio é um produto obtido por trefilação, de seção transversal uniforme,geralmente circular, muito pequena em relação ao comprimento. Esses produtospodem apresentar também seções quadradas, hexagonais, octogonais, ovais,triangulares, chatas, etc. As dimensões das seções podem variar desde 0,02 mmaté cerca de 25 mm. Para a fabricação de arames parte-se do chamado fio-máquina obtido por laminação a quente de barras em geral quadradas.Os aços utilizados na produção de arames ou fios na maioria são ao carbono e debaixo teor para aplicações mais comuns até aços de médio e de alto teores decarbono inclusive aços de baixa ligas para aplicações de maior responsabilidade, noestado recozido ou encruado.Aplicações: pregos simplesmente acabados por jateamento, galvanizados ouestanhados; arames para cercas lisos ou farpados no estado galvanizado; aramespara concreto armado (malhas e telas); arames para fardos; cabos ou tirantes; fiode música ou corda de piano; molas.


Processo de fabricação:No processo de trefilação o fio máquina é inicialmente decapado em solução deácido sulfúrico ou ácido muriático aquecido (banho) a vapor (5-20% concentração).O material é em seguida, lavado em água corrente e recebe uma camada de calpara neutralizar o excesso de ácido, evitar a oxidação e servir como portador dolubrificante (comum: sabão em pó) durante trefilação. O material é puxado(velocidades de 5 a 15 m/s) através de fieiras de metal duro em passes sucessivos(1-19 passes, redução em área de 20-30% por passe).

Redução (%) = [(Ai – Af)/Ai] x 100

Classificação dos fios de aço carbono:•Não patenteados (encruados, recozidos, normalizados e posteriormente temperadose revenidos);•Patenteados (tratamento isotérmico, austêmpera) - visa melhorar os limites deelasticidade e de resistência mecânica e a tenacidade) após trefilação.


Tipo de aço % de carbono

Estado Principais aplicações

Baixo carbono 0,08-0,20 Encruado

Recozido ou normalizado

Eletrodos de solda, pregos, pinos. (σf=50-100kgf/mm2).

Arames lisos e farpados, telas, parafusos erebites.

Médio carbono 0,20-0,50 Recozido

Patenteado e trefilado

Parafusos (posteriormente temperados e revenidos).

Cabos, molas de pequena responsablidade.

Alto carbono 0,60-1,00 Encruado

Patenteado e trefilado

Eletrodos de solda, arruelas de pressão.

Fio ou corda de piano, cabos para serviço pesado, tirantes, molas, etc. (σf= 280 kgf/mm2).

Classificação dos arames:


Aços para molas

Molas são elementos de máquina que exigem cuidados especiais com relação aoprojeto e a especificação dos materiais utilizados para sua fabricação. Estão sujeitasa esforços variados e extremos, variações de temperatura, meios corrosivos eabrasivos, vibrações, etc. Podem ser do tipo helicoidal ou em espiral ou semi-elípticas.As molas helicoidais são divididas em:•de extensão: de bobina fechada para esforços de tração-material trabalha sobtorção;•de compressão: de bobina aberta para suportar esforços de compressão e choque-material trabalha sob torção;•de torção: de bobina fechada para suportar esforços laterais de torção-materialtrabalha sob dobramento.

As molas helicoidais são fabricadas a partir de barras e fios e as semi-elípticas apartir de tiras de aço.

Aços para molas

Fabricação e composição química:•As molas são obtidas a partir de tiras ou fios de aço carbono ou aço liga no estadorecozido. As molas conformadas são então temperadas em óleo e revenidas;•As molas podem ser fabricadas a partir de fios ou tiras já endurecidos(temperados e revenidos ou patenteados e estirados a frio). As bolas obtidas sãotratadas termicamente (alívio de tensões a baixa temperatura).

Os aços ao carbono (0,50-1,20%C) satisfazem quase que completamente aosrequisitos exigidos para molas, temperatura de trabalho até 120°C. Algumasaplicações exigem aços ligados (maior limite de fadiga e maior temperatura detrabalho, 230°C) contendo Cr e V ou Si e Mn em teores acima dos normais.Requisitos/propriedades fundamentais para fios e molas:•Elevado limite de elasticidade;•Elevada resistência ao choque-veículos em geral;•Elevado limite de fadiga-baixo nível de defeitos internos e sobretudo superficiais(marcas de ferramenta, riscos das fieiras de trefilação, inclusões, rugosidades,descarbonetação superficial, oxidação).

Aços (carbono) para molas


Aços para molasProp. mec. de aços p/ molas hel. enroladas a frio

Para melhorar aspropriedades finais dasmolas, sobre tudo aresistência à fadiga,recorre-se aoencruamento superficialdas molas porjateamento (introduçãode tesões de compressãona superfície das molas,revestimentos com Cdpara melhorar aresistência à corrosão e àabrasão. A pinturatambém é utilizada.


Aços de usinagem fácil

Aços de usinagem fácil são aços que apresentam melhor desempenho duranteusinagem, são cortados mais facilmente possibilitando maior produtividade emprocessos de produção em massa de peças com dimensões e geometrias variadas.A usinabilidade é uma propriedade relacionada com a facilidade com que ummaterial pode ser cortado, de acordo com as dimensões, forma e acabamentosuperficial requeridos comercialmente. A usinabilidade depende, desta forma, deuma série de fatores (qualidade, forma da ferramenta de corte, tipo e estado damáquina ferramenta ou operatriz, velocidade de avanço e profundidade de corte,fluido de resfriamento, etc.). Assim, a usinabilidade não é uma propriedade fácil dese medir e o método mais comum é a usinabilidade relativa que consiste em, sobcondições prefixadas de usinagem, determinar qual material garante vida maislonga da ferramenta entre afiamentos consecutivos ou ainda qual o desgastesofrido pela ferramenta.


Uma melhor usinabilidade depende da composição química e da microestrutura do aço a ser usinado.Assim, a dureza do aço é um fator importante. Valores elevados de dureza, em geral,significam dificuldades de usinagem ao passo que valores médios e baixos de durezaestão associados a boa usinabilidade. No entanto, a dureza, a rigor, não é um bomparâmetro de avaliação da usinabilidade já que o material usinado encrua e aços comdurezas muito baixas ou elevada ductibilidade resultam em adesão do cavaco àferramenta de corte quando deveriam ser removidos.A microestrutura dos aços, por outro lado, é o fator que melhor caracteriza ausinabilidade. Sem alterar a composição química de um aço é possível melhorar a suausinabilidade modificando a sua microestrutura por meio de tratamentos térmicos oumecânicos adequados (aços de baixo carbono, <0,15%C são melhor usinados no estadonormalizado, em vez de recozidos ou encruados). Aços de elevado teor de carbono sãomelhor usinados quando a microestrutura é do tipo esferoidita (tratamento térmico deesferoidização). A formação de inclusões não metálicas (MnS) ou a introduçãocontrolada de metais dúcteis como chumbo e bismuto, formando uma fina dispersão,melhora, significativamente, a usinabilidade constituindo os aços de usinagem fácil.


Aços de usinagem fácil com inclusões não metálicas:As inclusões são, neste caso, de MnS (sulfeto de manganês) e são produzidas apartir da combinação (adição controlada) de enxofre (0,08-0,24%) e manganês(0,3-1,7), proporção de 1S : 5Mn.Os MnS podem ser globulares ou alongados (aços laminados a quente) eformam, durante usinagem, cavacos curtos/quebradiços (interrompendo o corte)já que atuam como lubrificantes impedindo a adesão do cavaco à ferramenta decorte.A adição de fósforo (P), em teores menores que 0,12%, em aços de baixocarbono, melhora a usinabilidade já que forma cavacos curtos (endurecimento doaço por solução sólida no ferro).Nestas condições a máquina de usinagem é menos solicitada, o acabamento dapeça é melhorado, a velocidade de usinagem pode ser aumentada (as vezesduplicada) em comparação com aços não ressulfurados.O aço considerado padrão de usinabilidade é o SAE 1112.

MnS

Aços de usinagem fácil Principais tipos de aços de usinagem fácil:


Aços de usinagem fácil Efeito da microestrutura sobre a usinabilidade de aço SAE 4140

Índice de usinabilidade (I.U.) doSAE 1112 é 100. Quando um outrometal tem um I.U. = 70, significa quesua usinabilidade é 70% da do açoSAE 1112 no estado encruado.

(0,4%C; 0,50-0,95%Cr; 0,12-0,25%Mo)


Aços de usinagem fácil Efeito da microestrutura sobre a usinabilidade de aço SAE 5160.

(0,60%C; 0,8-1,0%Cr)


Aços de usinagem fácil Usinabilidade de aços contendo chumbo:

A adição de 0,15-0,35% Pb ao açono estado líquido resulta em uma finadispersão de partículas de Pb.Seu uso é limitado a baixastemperaturas já que o Pb funde a327°C.


Aços resistentes ao desgaste

Aços resistentes ao desgaste, neste caso, são aços que por si só, devido as suascaracterísticas em termos de composição química, possuem elevada resistência aodesgaste, ainda que a mesma lhe seja conferida por tratamentos térmicos oumecânicos suplementares-Aços Mn.Desgaste: Ocorre em peças em movimento relativo, como em eixos, pistões,válvulas, cilindros, engrenagens, aparelhos de transporte, maquinário agrícola, deconstrução, britadores, escavadeiras, misturadores, revestimento de moinhos, etc.Trata-se de um fenômeno superficial, devido ao contato de superfícies, uma dasquais, pelo menos em movimento e que resulta na modificação das suas dimensõesou ajustes com perda de massa até que perdem a sua eficiência em serviço.Tipos básicos de desgaste:•Desgaste de metal contra metal-desgaste metálico (15% casos de desgaste);•Desgaste de metal contra uma substância não metálica abrasiva-desgaste abrasivo(50% dos casos de desgaste);•Desgaste de metal contra líquidos ou vapores-erosão (8% dos casos de desgaste);•Outros: 27% dos casos de desgaste.


Fatores dos quais depende a resistência ao desgaste de metais:•Acabamento da superfície metálica (bom acabamento);•Dureza (dureza elevada);•Lubrificação;•Elevada resistência mecânica e tenacidade para evitar arrancamento de partículas duras e formação de crateras.


Resistência ao desgaste dos metais pode ser melhorada por meios:•Mecânicos, por encruamento, jateamento da superfície do material;•Tratamentos térmicos, têmpera;•Tratamentos termo-químicos, cementação, nitretação, etc.;•Revestimento superficiais, cromo duro, siliconização, eletrodeposição, metalização,etc.Aços-manganês auteníticos ou Hadifield (Inventor, Sir. Robert Hadifield em 1882):C: 1,0 – 1,4%; Mn: 10 – 14% Típico: C: 1,2%; Mn: 12 – 13%Aumento da dureza superficial e da resistência ao desgaste causado porencruamento em serviço (transformação da austenita em martensita).Outros elementos:•Si: desoxidante <1% ou até 2%, melhora a resistência mecânica;•S: teores normais e não é crítico devido ao elevado teor de Mn;•P: 0,1 – 0,06%•Pode conter ainda teores variados de Ni, Cr, Cu, V, para melhorar a resistênciamecânica, ao desgaste, soldabilidade e a usinabilidade.


Processamento dos aços manganês (são não-magnéticos):•Fusão e solidificação ou laminação: precipitação de carbonetos levando afragilização (Limite de resistência mecânica = 42–49 kgf/mm2; Estricção <1%;•Tratamento térmico:

•Austenitização: 1000ºC para solubilização de carbonetos;•Resfriamento em água, retenção da estrutura austenítica.

Propriedades mecânicas após tratamento térmico:•Alongamento=30-60%•Limite de escoamento=30-42 kgf/mm2

•Limite de resistência mecânica=57-100 kgf/mm2

•Resistência ao choque=14-15 kg.m•Dureza=180-220 HB

*Após encruamento, em serviço, a dureza passa para 500 a 600 HB.**Problema: usinabilidade é complexa exigindo ferramentas de metal duro etécnicas específicas de usinagem.


Outros aços resistentes ao desgaste:

Aços carbono-cromo com 0,95 a 1,10%C e 1,30 a 1,60%Cr:•Utilizados para mancais de esferas ou de roletes (SAE 52100, 51100, 50100);•SAE 50100 (0,40-0,60%Cr), para esferas de até 12,7 mm de diâmetro;•SAE 51100 (0,90-1,15%Cr), para esferas de até 25,4 mm de diâmetro.

Aços ultra-resistentes

Aços ultra-resistentes são aços que foram desenvolvidos, inicialmente, paracomponentes de aviões com limite de resistência à tração de 210 kgf/mm2 e,posteriormente, para veículos espaciais, mísseis, foguetes, etc. em que os aços podematingir limites de resistência à tração de 300 kgf/mm2.No desenvolvimento destes aços procurou-se garantir também uma ductibilidadeconveniente.Neste sentido, as primeiras aproximações no sentido de se aumentar a resistênciamecânica dos aços carbono foram:•Aumento da proporção de perlita mediante aumento do teor de carbono;•Aumento da resistência mecânica da ferrita mediante endurecimento por soluçãosólida, com adições de Mn, Mo e Cu.Um aumento ulterior da resistência mecânica pode ser obtido mediante:•Refino de grão da ferrita com adições de Al ou Nb, 70 kgf/mm2, limite máximo deresistência mecânica dos aços comuns ao carbono ferríticos laminados a quente;•Tratamento térmico adequado de aços de baixa liga resultando em valores deresistência à tração de 140 kgf/mm2 os quais apresentam ainda boas soldabilidade eductibilidade e resistência à corrosão.


Entretanto, nesta faixa de resistência mecânica este aços (anteriores) foramultrapassados por algumas ligas de Al e Ti em aplicações estruturais da industria deaviões a jato. Visando alcançar resistência mecânica ainda maiores, já que aresistência à tração teórica do ferro é da ordem de 175 kgf/mm2, originaram-se osaços ultra-resistentes modernos.Elevando-se o teor de carbono para 0,30-0,40% e diminuindo-se a temperatura derevenido para 200-230ºC consegue-se atingir limites de resistência à tração (σmax) de200 kgf/mm2.Categorias de aços ultra-resistentes:•SAE 4330 (0,30%C; 0,50%Mn; 0,30%Si; 0,8%Cr; 1,80%Ni 0,20%Mo) no estadotemperado e revenido: σmax =154-168 kgf/mm2;•SAE 4340 (0,40%C; 0,85%Mn; 0,20%Si; 0,75%Cr; 1,80%Ni; 0,25% Mo) temperadoe revenido adequadamente (260-315ºC): σmax =182-210 kgf/mm2.


O passo seguinte na produção de aços ultra-resistentes foi o tratamento de“ausforming” – deformação plástica da austenita na faixa de temperaturas detransformação da bainita (tipicamente entre 450 e 550°C) nos aços ligas comuns ouà temperatura ambiente para os aços austeníticos: σmax =245 kgf/mm2 com 6% dealongamento.Por último mas não finalmente, foram desenvolvidos os aços maraging (mar:martensite; ag: age; ing: hardening) os quais podem atingir valores de σmax =280 a300 kgf/mm2; estricção de 60% e resistência ao choque de 3,6 kg.m.Processamento:•Austenitização a 800-850°C, para solubilização;•Resfriamento rápido em água para obtenção de solução sólida de Ni e outroselementos de liga no Ferro alfa (martensita de Ni);•Reaquecimento (425-510ºC) para precipitação (envelhecimento) de fasesintermetálicas a base de Ni, Mo, Ti, e Fe (Ni3Mo e Ni3Ti) com aumento de resistênciamecânica.


Composição química típica e propriedades mecânicas de aços maraging :

C: 0,03% max.;Mn, Si: 0,10% max.;P, S: 0,01% max.;Ni: 17-26%;Ti: 0,5-1,6%;Al: 0,05-1,0%;Co: 8,0-11,0%;Nb: 0,30-0,50%.


Aços grafíticos

Aços grafíticos são aços que possuem elevados teores de C e Si resultandomicroestrutura contendo carbono livre sob a forma de grafita tornando o açoendurecível, usinável e resistente ao desgaste. Devido a sua excelente usinabilidadee estabilidade dimensional, são utilizados em matrizes de conformação a frio edispositivos mecânicos (buchas, matrizes e punções de corte, calibres, facas decorte, etc.) diversos.


Aços criogênicos

Aços criogênicos são aços resistentes a baixas temperaturas. Aços ao carbono debaixo carbono apresentam comportamento satisfatório à temperaturas de até -50°C. No entanto, em situações onde as temperaturas podem atingir os -196°C(para o nitrogênio líquido) ou -250°C (para o hidrogênio líquido) é importanteconsiderar o fenômeno de transição, isto é, a passagem da fratura frágil para afratura dúctil.


Aços criogênicos

Aços carbono ferríticos ou ferríticos-perlíticos podem apresentar fraturas dúcteis ou frágeis jáque a deformação, dependendo da temperatura do material, pode ocorrer por movimento dediscordâncias (grande deformação e plasticidade) ou por clivagem (com menor plasticidade). Naprática, procura-se manter o teor de carbono baixo e aumentar o teor de Ni ou de Mn. A medidaque se aumenta o teor de Ni (aços austeníticos), mantendo-se baixo o carbono, os materiais

podem ser empregados a temperaturas cada vez mais baixas. Uma microestrutura refinadamelhora ulteriormente a tenacidade a fratura.

C

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005.Fonte: SMITH, W.F.,1993.

Aços criogênicosAços e propriedades típicas para utilização em baixas temperaturas.

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005.

Aços criogênicos

Aços e propriedades típicas para utilização em baixas temperaturas.

*Os aços austeníticos não apresentam uma transição dúctil-frágil nítida. Ocorre uma diminuiçãogradativa da resistência ao choque com a diminuição da temperatura já que a austenita é muitoplástica.


Ferros fundidos

Ferros fundidos (fofos.), do ponto de vista do diagrama de equilíbrio Fe-C, sãoligas Fe-C com teores de carbono acima de 2%. Na realidade, são ligas fundidas(ferro-carbono-silício), com teores de carbono geralmente entre 2 e 4% e teores desilício entre 1 e 3% tal que, após solidificação, a microestrutura pode conter, alémdos microconstituintes observados nos aços, carbono parcialmente livre, sob a forma,fundamentalmente, de veios/lamelas de grafita.Os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para aindustria, em função de suas características intrínsecas e também pela possibilidadede se adicionar elementos de liga tornando-os tratáveis termicamente originandocategorias de materiais com emprego em aplicações que eram exclusivas dos aços.O seu uso, em uma série de aplicações, é resultado do seu, relativamente, baixocusto de fabricação e de sua versatilidade em termos de propriedades de engenharia.

Ferros fundidos

Diagrama de equilíbrio Fe-C

Fofo eutético

Fofo hipoeutético

Fofo hipereutéticoFonte: CHIAVERINI, V. , 2005.

Ferros fundidos

Fe3C 3Fe + C (grafita)

Ct = Cc + Cg

C.E. = %C + 1/3 %Si

Diagramas (seções) de equilíbrio metaestável Fe-C-Si


Ferros fundidos

Fatores que influem na microestrutura dos ferros fundidos:•Composição química:

•C: determina a quantidade de grafita que pode ser formada;•Si: elemento grafitizante, favorece a decomposição da cementita em grafita, dependendodo seu teor pode transformar o ferro fundido em cinzento ou branco;•Mn: efeito oposto ao do Si, tende a estabilizar a cementita contrabalançando o efeito do Sisendo também um elemento dessulfurante. O Cr tem efeito semelhante;•P: Estabiliza a cementita, sua principal ação é formar a steadita (Fe3C+Fe3P, P.F.=982°C);•S: em teores normais não tem ação significativa.

•Velocidade de resfriamento:Esta relacionada c/ a espessura das peças que solidificam em moldes. Pequenas seçõessignificam velocidades de resfriamento mais elevadas que seções espessas. O aumento davelocidade de resfriamento em seções finas e em moldes metálicos, originam as seçõescoquilhadas onde não ocorre decomposição da cementita em grafita resultando na formação deferro fundido branco. A composição e a velocidade de resfriamento são os fatores maisimportantes na definição da microestrutura dos fofos. A tendência a grafitização pode serverificada através do ensaio da cunha de coquilhamento.

Ferros fundidos

Cunha de coquilhamento:


Ferros fundidos

Outros fatores que podem influir na grafitização dos fofos.:

•Inoculação:Adição (0,05-0,25%) de ferro ligas (no metal líquido antes do vazamento), ex. Fe-Si (50-85%Si), Fe-Ca-Si, Fe-Ca-Si-Ti, com o objetivo de criar núcleos de grafitapossibilitando a obtenção de estruturas mais finas e uniformes para a obtenção defofos. Com melhores propriedades mecânicas.

•Superaquecimento:Elevar a temperatura (1500-1700°C) do banho para provocar a grafitização, noresfriamento, a temperaturas mais baixas, favorecendo a formação de veiosmenores e mais finos. Temperatura normal de fusão=1460°C. Temperaturaselevadas destroem núcleos de grafita retardando sua formação.

Ferros fundidos

Classificação dos ferros fundidos:

•Ferro fundido cinzento (FC);•Ferro fundido branco (FB);•Ferro fundido maleável (FM);•Ferro fundido nodular ou esferoidal (FE).

Ferros fundidos

Elemento FC (%) FB (%) FM (%) FE (%)

C 2,20-4,00 1,80-3,60 2,00-2,60 3,00-4,00

Si 1,00-3,00 0,50-1,90 1,10-1,60 1,80-2,80

Mn 0,25-1,00 0,25-0,80 0,20-1,00 0,10-1,00

S 0,02-0,25 0,06-0,20 0,04-0,18 0,03 max.

P 0,05-1,00 0,06-0,18 0,18 max.. 0,10 max.

Tabela: Composição química dos ferros fundidos:

FC: Ferro fundido cinzento ou lamelar; FB: Ferro fundido branco; FM: Ferro fundido maleável;FE: Ferro fundido nodular ou esferoidal.

Ferros fundidos

Ferros Fundidos Cinzentos (FC):

Fofo cinzento perlíticoFofo cinzento perlíticoevidenciando steadita (P>0,15%)

Clasificação grafita lamelar (ASTM):

SteaditaGrafitaDentre os ferros fundidos é o mais usado devido a suafácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica,excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste eboa capacidade de amortecimento. Superfície de fraturade coloração cinza escuro. Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005.

Ferros fundidos

Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos (FC)

Propriedades mecânicas (complemento):•Módulo de elasticidade a 0,25 σmax,(7.500-15.500 kgf/mm2);•Dureza: 100 a 600 HB (brancos), HB=σmax /1,82;•Resistência à compressão é 3-4,5 vezes aresistência à tração (50-140 kgf/mm2);•Limite de fadiga (6-17,5 kgf/mm2);•Resistência ao choque: normalmentefrágeis mas os ligados e adequadamentetratados termicamente podem atingirvalores de 7-14 kg.m;•Capacidade de amortecimento devibrações e usinabilidade.


Ferros fundidos

Ferros Fundidos Cinzentos, usinabilidade e capacidade de amortecimento:

Aplicações: anéis de pistão, carcaças demáquinas, bases de máquinas pesadas, tampas depoços de inspeção, tubos, conexões, tambores defreio, placas de embreagem, carters, virabrequins,grandes blocos de motor, buchas, etc.Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005.

Fonte: SMITH, W.F.,1993.

Ferros fundidos

Ferros Fundidos Brancos (FB):

Ferros fundidos brancos são fofos. em que o carbono se apresenta,praticamente todo, na forma combinada (cementita). Superfície de fratura decoloração clara. Fofos. brancos não ligados apresentam, normalmente, matrizperlítica (fina). Adicionando-se elementos de liga como Cr, Ni, Mo, e V a matrizpode se tornar martensítica ou bainítica ou austenítica. O fofos. brancosapresentam elevada dureza e resistência ao desgaste o que os torna difíceis deusinar. Na sua produção combina-se os teores de carbono e silício e a velocidadede resfriamento a qual é atingida por meio de coquilhas (moldes metálicos). Aspeças coquilhadas são submetidas a tratamento térmico (815-870°C/7-20h seguidode resfriamento lento) para alívio de tensões e para uniformizar a estruturadendrítica.

Ferros fundidos

Esquema da seção de fratura de fofo coquilhado evidenciando a microestrutura e os teores de carbono combinado e livre em função da espessura.



Ferros fundidos

Efeito do carbono total na durezade fofo coquilhado.

Efeito do teor de Si na profundidade decoquilhamento.



Ferros fundidos

Principais aplicações de ferros fundidos brancos:

•Revestimentos de moinhos (415-460 HB ou 550-650 HB/ligados com Cr e Ni);•Bolas de moinhos de bolas (415-477 HB ou 555-627 HB/ligados com Cr e Ni);•Rodas de ferro coquilhado para vagões;•Cilindros de laminação para borracha, vidro, plástico e metais;•Peças pesadas para britamento de minérios;•Matrizes e guias;•Peças pra equipamentos de moagem de cimento.

Ferros fundidos

Ferros Fundidos Maleáveis (FM):Ferros fundidos maleáveis são importantes materiais de engenharia já queapresentam uma série de desejáveis propriedades tais como facilidade de fusão,usinabilidade, tenacidade e ductilidade, resistência à corrosão para certas aplicaçõese resistência mecânica adequada. A estrutura dos ferros fundidos maleáveis é obtidapor meio de tratamento térmico dos fundidos que têm estrutura de ferros fundidosbrancos (cementita). Assim, os fundidos em ferro fundido branco (sem nenhuma oupouca ductilidade) são convertidos em ferros fundidos maleáveis (ferríticos ouperlíticos) por meio de um tratamento térmico apropriado de recozimento outratamento térmico de maleabilização (900-1000°C/15-72h).

Processos de maleabilização:•Maleabilização por descarbonetação;•Maleabilização por grafitização.

Ferros fundidos

Maleabilização por descarbonetação:Este tratamento térmico origina o maleável tipo europeu, maleável de núcleo branco ou maleávelbranco. Estrutura constituída essencialmente de ferrita até 5-6 mm de espessura (fratura decoloração clara). O processo consiste em aquecer (em T adequada) peças de fofo branco emcaixas fechadas contendo minério de ferro para evitar oxidação das peças tal que o carbono daspeças é eliminado (descarbonetação) sob a forma de gás.

A: Descarbonetação intensa e grafitização sehouver cementita livre;B: Grafitização continua e a cementitaoriginada da austenita se decompõe emgrafita;C: Forma-se perlita se ainda houver carbonocombinado.

Processo de descarbonetação:

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2

C + CO2 2CO

Maleável branco ferrítico


Ferros fundidos

Maleabilização por grafitização:Este tratamento térmico origina o maleável tipo americano, maleável de núcleo preto ou maleávelpreto. (fratura de coloração escura já que a estrutura é constituída de grafita em matriz ferrítica).O processo consiste em aquecer as peças (em T adequada) de fofo branco em atmosfera neutraem caixas de ferro fundido envoltas em areia, cinzas ou outro material inerte. Este ciclo é maiscurto que o europeu porque, por precipitação de carbono, a distância de migração é menor.

Maleável preto ferrítico

A: Grafitização da cementita livre;B: Grafitização da cementita originada daaustenita;C: Grafitização da cementita da perlita.

Processo de grafitização:

Fe3C + 3Fe C (grafita)


Ferros fundidos

Propriedades mecânicas de ferros fundidos maleáveis:


Ferros fundidos

Usinabilidade de diversas ligas ferrosas:


Ferros fundidos

Principais aplicações dos ferros fundidos maleáveis (FM):Campo de aplicação:•Industrias mecânicas e de materiais de construção;•Industrias de veículos, tratores;•Industria de materiais elétricos.

Aplicações típicas:•Conexões para tubulações hidráulicas;•Conexões pra linhas de transmissão elétrica;•Correntes;•Suportes de molas;•Caixas de direção;•Cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de embreagem e freio;•Bielas, caixas de engrenagem, etc.

Ferros fundidos

Ferros fundidos nodulares (FE):

O ferro fundido nodular, esferoidal ou dúctil consiste de esferóides de grafitadispersos em uma matriz de ferrita, perlita ou ambos. Durante a sua solidificação ocarbono se decompõe sob a forma de grafita esferoidal em contraste com a grafitalamelar normalmente formada nos ferros fundidos cinzentos. Por esta razão estesferros fundidos possuem uma combinação de propriedades tais como baixatemperatura de fusão e boas fluidez e preenchimento dos moldes, excelentesusinabilidade e boa resistência ao desgaste. Além disso, estes materiais apresentamelevadas resistência mecânica, ductibilidade e tenacidade. Apresentam, em particular,elevada tensão de escoamento, superior as demais classes de ferros fundidos e açosao carbono.

Ferros fundidos

Ferros Fundidos Nodulares:0,1% massa de Mg

1 min após o vazamento 1 0 min após o vazamento 24 min após o vazamento

Processamento:Transferência do metal líquido para uma panela de nodularização contendo nofundo briquetes ou cavacos de magnésio ou sob a forma de pré-ligas (ex:5Mg.45Si.50Fe; 12Mg.40Si.18Cu.30Fe).

Grafita nodular FerritaPerlita

Ferros fundidos

Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares:


Principais aplicações dos ferros fundidos nodulares (FE):

Aplicações típicas:•Compressores, lingoteiras;•Encanamentos e acessórios;•Bielas e peças em geral que exijam maior resistência ao choque;•Equipamento agrícola e ferroviário;•Máquinas operatrizes;•Engrenagens;•Mancais e matrizes;•Virabrequins, tambores de freio, polias;•Etc.

Ferros fundidos

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