8/12/2019 Tec Mec Ifrj
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TECNOLOGIA DOS
MATERIAIS
CURSO PROCESSO DE PRODUO
2 SEMESTRE
Prof Panesi
8/12/2019 Tec Mec Ifrj
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Prof Tecg, Me Andr R. Q. Panesi
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AULA 1PROPRIEDADES DOS MATERIAISMETLICOS
Um bom conhecimento de materiais importante no s para quem projeta ou
constri como para aquele que simplesmente realiza manuteno de
equipamento mecnico (saber substituir um material por outro). Para tanto o
material dever ser avaliado sob dois aspectos fundamentais: suas qualidades
mecnicas e seus custos de matria - prima e de produo.
Tambm com o conhecimento das propriedades dos materiais que podemos
escolher os fatores de segurana e estes influem decisivamente na parte
econmica do projeto.
O nmero de materiais usados na construo mecnica elevadssimo,bastando dizer que s de aos existem vrias centenas de tipos.
Se considerarmos um automvel, por exemplo, veremos que o nmero de
materiais diferentes que o compem, ultrapassa uma centena. Como exemplo,
podemos citar que as vlvulas de admisso e escapamento so feitas
contendo silcio, cromo e nquel e a segunda pode ser de um ao especial
contendo silcio e cromo em percentagens diferentes. J nos motores de avio
as vlvulas de escapamento podem ser ocas e cheias de sdio ou mercrio. Aoestudarmos a classe dos materiais metlicos podemos dividi-los em dois
grupos distintos: ferrosos e no ferrosos.
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PROPRIEDADES FSICAS
a) Densidade ( )
a relao entre a massa de uma substncia e o volume ocupado pela
mesma.
= m /V ( Kg/m3)
b) Peso Especfico()
a relao do peso da substncia e o volume ocupado pela mesma.
= P / V = mg / V = .g ( N/ m3)
c) Condutividade Trmica (k)
Propriedade que possuem certos corpos de transmitir com maior ou menor
facilidade o calor.
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Tabela 1.1 Condutividade trmica e densidade de certos metais a 20C
Elemento Condutividade trmica (W/mK) Densidade (Kg/ m3
)Alumnio 236 2702Cobre 399 8933Ouro 316 19300Ferro 81,1 7870Mangans 7,78 7290Molibdnio 138 10240Nquel 91 8900Mercrio --------- 13546Platina 71,4 21450Bronze --------- 8800
d) Condutividade eltrica
Propriedade que possuem certos corpos de transmitir com maior ou
menor facilidade a corrente eltrica. A condutividade est relacionada com a
resistividade, ou seja, quanto menor for a resistividade de um material, menor a
sua resistncia eltrica.
Tabela 1.2 Resistividade de alguns materiais a 20C
Material Resistividade (m)Prata 1,6 x10-
Cobre 1,7 x10- Alumnio 2,7 x10-8Ferro 10 x10-8Nquel-cromo 150 x10-8Semicondutores 10-1a 104Isolantes 1011a 1018
PROPRIEDADES TECNOLGICAS
a) Maleabilidade
Propriedade do material de ser deformado permanentemente, pela
compresso, sem se romper, ou seja, a possibilidade de ser laminado ou
amassado.
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b) Ductilidade
Propriedade do material de ser deformado permanentemente, pelatrao, sem se romper, ou seja, a possibilidade de ser estirado ou trefilado.
c) Soldabilidade
Capacidade do material de ser soldado (rejuntado) por caldeamento
(compresso a quente das partes a serem unidas, sem utilizao de material
auxiliar). Materiais de baixa caldeabilidade s podem ser soldados atravs de
eletrodos especiais.
A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece num estado
slido plstico, sob o efeito do calor produzido pela ao soldante. O metal
ou liga que passar instantaneamente do estado slido para o lquido
dificilmente soldvel. (Ex.: ferro fundido).
d) Temperabilidade
Propriedade que certos metais possuem de modificarem a sua estrutura
cristalina aps um aquecimento prolongado seguido de resfriamento brusco.
e) Usinabilidade
Capacidade do material apresentar maior ou menor resistncia de ser
usinado (cortado, desbastado, furado, etc.) pela ao de uma ferramenta de
corte. Podemos relaciona-la tambm com a vida da ferramenta de corte, ou
com a energia ou tempo necessrio ara removermos certa quantidade de
material. Os graus de usinabilidade dos diferentes aos so estabelecidos em
funo do ao de CORTE LIVRE SAE 1112 que tido como o de 100% de
usinabilidade.
Por exemplo, se disser que a usinabilidade de ao SAE 1070 de 45 %,
significa que na usinagem deste ao, o rendimento de 45% em relao ao do
ao SAE 1112.
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Os fatores envolvidos nessas propriedades so entre outros:
Natureza do material sob usinagem
Natureza do material da ferramenta
Forma da ferramenta
Condies de corte: velocidade, avano, profundidade de corte
Natureza da operao de corte: torneamento, frezamento, etc.
Natureza do corte: contnua ou interrompido
Condies da mquina operatriz
RefrigeraoDevido a necessidade de termos um custo cada vez mais baixo na
indstria, para reduzirmos os custos em uma produo em massa, a
usinabilidade uma propriedade de grande interesse e assim, temos uma srie
de profissionais estudando mtodos de melhorarmos a usinabilidade dos
materiais. Podemos assim melhorar a usinabilidade dos materiais basicamente
por dois mtodos:
Modificao do desenho da ferramenta
Alterao da sua estrutura
PROPRIEDADES MECNICAS
a) Plasticidade
Propriedade do material de suportar uma deformao permanente semse romper. A plasticidade tem grande importncia nas operaes de
dobramento, estampagem e extruso. O material quando submetido a um
esforo sofre uma deformao permanente, e s se rompe quando a tenso
aplicada ao material ultrapassa a tenso mxima.
A plasticidade influenciada pelo calor ( ao ao rubro torna-se bastante
plstico).
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O inverso da plasticidade a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um
material dito frgil ou quebradio quando o mesmo ao romper-se apresenta
uma pequena deformao.
A plasticidade pode ser subdividida em:
Maleabilidade
Ductilidade
b) Tenacidade
A tenacidade mede a capacidade que o material tem de absorverenergias at fratur-lo incluindo a deformao elstica e plstica quando essa
energia absorvida progressivamente. Para que um material seja tenaz, ele
deve exibir tanto resistncia como ductilidade.
c) Elasticidade
a propriedade do material, cuja deformao causada por uma tenso,
desaparece quando esta deixa de agir. Em termos de engenharia, o maior
interesse concentra-se mais na tenso do que na deformao, e esta a razo
porque se registra, para os dados tcnicos de elasticidade o valor da tenso
que representa o limite de elasticidade. Ex.: ao para molas.
d) Dureza
Propriedade do material de se opor penetrao de outro material.
Quando aumentamos a dureza de um material aumentamos a sua resistnciamecnica e sua fragilidade, diminuindo a sua ductilidade.
Na prtica, representa duas coisa importantes:
resistncia ao desgaste
resistncia a deformao ( ou conformao)
Por esta razo, os materiais mais duros so usados na fabricao de
peas sujeitas a maiores esforos, atrito constante, etc., enquanto os materiais
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Condies de trabalho, podendo ser subdivididas em:
solicitaes mecnicas
local de trabalho do material
Assim, uma pea que vai ser submetida a um esforo de trao, no poder
ser feita de um material de pequena resistncia trao, como por exemplo de
ferro fundido comum. Na indstria de laticnios os materiais empregados so
resistentes corroso como por exemplo o ao inoxidvel.
Disponibilidade de material: para se escolher um material ele
deve ser disponvel em quantidade necessria e tambm quando desejado
para reposio de peas. A escolha do material no deve ser feita apenas em
livros, mas sim nos catlogos de fabricantes.
Custo: por custo entendemos no s o material em bruto como
tambm o dos processos de fabricao, isto , o custo total, isto porque um
material pode ter preo reduzido mais implicar em processo de fabricao
dispendioso.
Aparncia: a aparncia importante quando o produto se destina
ao grande pblico. Assim uma pea de alumnio anodizado agradvel a vista
(tampos de panelas, etc.). J para uma pea estrutural que est escondida, aaparncia no to importante.
em virtude da aparncia que se usa niquelados, cromados,
materiais plsticos coloridos, oxidados (armas, ferramentas), partes esmaltadas
(porcelanizadas), fundio sob presso (zamak, plsticos).
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Adaptabilidade para os processos de produo: certos
materiais se prestam melhor que outro para determinados processos de
fabricao incluindo ou no tratamentos trmicos, e assim dependendo do
equipamento que dispomos somos conduzidos a escolha de certos materiais
(sapatas de freio de chapas de ao estampadas e soldadas por pontos em
lugar de liga de alumnio fundida).
Forma da pea: em certos casos a forma da pea condiciona o
processo de fabricao e dessa maneira influi indiretamente na escolha do
material.
o caso de um bloco de motor, cujo processo normal de
fabricao a fundio. J grandes motores diesel possuem o bloco fabricado
a partir de chapas grossas e perfilados soldados.
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AULA2SIDERURGIA E METALURGIANormalmente os metais quando encontrados na natureza no esto
prontos para o uso, mas sim fazendo parte da composio de minerais
denominados minrios. Tomemos como exemplo o metal alumnio, na sua
utilizao nos produtos comerciais ele se encontra na forma de substncia
simples. chamado de alumnio metlico e representado por Al. Essa
substncia simples no encontrada na natureza, mas sim se encontra esse
elemento combinado com outros, nas chamadas substncias compostas. O
termo mineral relaciona toda substncia natural presente na crosta terrestre. As
rochas so agregados naturais formados por um ou mais minerais. Assim
pode-se dizer que o elemento qumico alumnio encontrado em substncias
compostas denominadas de minerais, que por sua vez esto presentes em
rochas. Na tabela 2.1 so dados os metais mais importantes e alguns de seus
minrios.
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Tabela 2.1 Metais e seus minrios
Metal Frmula do minrio Nome do minrioOuro Au Ocorre no combinado
Platina Pt Ocorre no combinado
Mercrio HgS
Hg
Cinbrio
Ocorre no combinado (raramente)
Prata Ag2S
Ag
Argentita
Corre tambm no combinada
Cobre Cu2S
CuS.FeS
Cu
Calcosita
Calcopirita
Ocorre tambm no combinado
Zinco ZnS Blenda ou esfaleritaNquel FeS.NiS Pentlandita
Chumbo PbS Galena
Estanho SnO2 Cassiterita
Mangans MnO2 Pirolusita
Cromo FeO.Cr2O3 Cromita
Ferro Fe2O3Fe3O4FeCO3
Hematita
Magnetita
Siderita
Alumnio Al2O3 Bauxita
Figura 2.1 A Hematita
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Figura 2.2 A Siderita
Histria do ferro
A revoluo industrial, iniciada na Gr-Bretanha no fim do sculo XVIII,
representou a transio da sociedade agrria e txtil para a sociedade
industrial, que se baseava no carbono, como combustvel, e no ferro, como
matria-prima fundamental para a fabricao das mquinas. Conhecido desde
os tempos pr-histricos, o metal da nome a idade do ferro, perodo histrico
que sucedeu a idade do bronze. Pertencente ao grupo dos metais de transio,
o ferro o quarto elemento qumico em abundncia na crosta terrestre. Na
natureza, apresenta-se principalmente combinado com o oxignio em forma de
xidos como mostra a tabela 1.1.O minrio de ferro, fundido, tem mltiplas
aplicaes e grande utilidade industrial.
Quando puro, o ferro um metal branco-cinzento brilhante. Caracteriza-
se pela grande ductibilidade, que permite transform-lo em fios e arames, e
maleabilidade, que facilita a fabricao de folhas laminares. Entre suas
propriedades fsicas destaca-se o magnetismo, que o torna um timo material
para fabricar ms. Quanto s propriedades qumicas, o ferro inaltervel, em
temperatura normal, quando exposto ao ar seco. Submetido ao ar mido, o
ferro metlico sofre oxidao e se transforma lentamente em ferrugem (xido
de ferro), o que pode ser evitado se o ferro for revestido de metal mais
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resistente corroso, como zinco (ferro galvanizado), estanho (folha-de-
flandres) ou cromo (ferro cromado). O ferro atacado facilmente por cidos.
As ligas do tipo ferro-carbono podem ser classificadas em quatro grupos
distintos: (1) ao doce, liga que contm menos de 0,06% de carbono e cuja
estrutura essencialmente ferrosa; (2) aos, ligas com contedo de carbono
entre 0,06% e 2%, que se subdividem em aos ao carbono, aos-ligas e aos
especiais ou aos finos; (3) ferro fundido, liga que contm mais de dois por
cento de carbono, em geral de reduzida ductibilidade e maleabilidade, utilizada
na fabricao de peas moldadas e tubos. No ao, a dureza est na razo
direta da percentagem de carbono na liga.
.
Metalurgia
Metalurgia o processo bsico de obteno dos metais na natureza.
Esse processo dado atravs de uma seqncia que comea no solo (lavra)passando pela moagem e purificao do minrio e logo em seguida
dependendo do metal, sofrer o processo de reduo que normalmente se
d dentro de alto fornos. Aps a said do alto forno o metal purificado
novamente para finalmente ser beneficiado obtendo assim o produto
desejado. O princpio de obteno do metal se baseia na reduo de algum
elemento para que esse metal no oxide. Logo, ao se retirar o minrio da
natureza, esse, se no passar pelo processo metalrgico dependendo do
tipo de metal, sofrer corroso imediata no servindo assim para fins
industriais. A corroso portanto um processo natural que tende a oxidar os
metais; exatamente o oposto da metalurgia, que visa reduzi-los. Os diversos
metais conhecidos apresentam diferentes tendncias para sofrer corroso.
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Exemplo:
Quanto maior a tendncia de um metal de sofrer corroso, maior a
dificuldade para obt-lo a partir do minrio, atravs de sua reduo.
Aps a obteno do minrio de ferro pelo processo de lavra, moagem e
purificao, ele introduzido juntamente com outros materiais no alto forno,
local onde ocorrer o processo de reduo.
Figura 2.3 O processo de lavra
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Figura 2.4 Moagem e purificao
Alto forno
O alto forno um aparelho de grandes propores com uma altura que
pode chegar aos 25 metros e 9metros de dimetro na sua base maior. Ele
revestido internamente por uma parede de tijolos refratrios de espessura de0,5 metros. O volume interno da ordem de 1000m3.
So basicamente trs os ingredientes que so dispostos no alto forno:
O minrio de ferro, isto , a substncia que contm o xido de ferro.
O calcrio (rocha base de carbonato de clcio) para remover impurezas.
O coque, que o agente combustvel e redutor. Coque normalmenteproduzido na prpria siderrgica, atravs da queima parcial do carvo mineral.
Isto necessrio para remover o material voltil do carvo e, assim, aumentar
sua resistncia mecnica de forma a suportar a carga de minrio e calcrio.
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Figura 2.5 Alto Forno convencional
As reaes qumicas principais que ocorrem so:
Formao do monxido de carbono a partir do carvo e do oxignio
C(s) + O2 CO2(g)
CO2(g)+ C(s) 2CO(g)
Formao do ferro a partir da hematita e do monxido de carbono
produzido anteriormente
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Fe2O3(s)+ 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2 (g)
Nmero de oxidao do Fe2O3(s): 3+ e 2-
Nmero de oxidao do CO(g) : 2+ e 2-
Nmero de oxidao do F: 0
Nmero de oxidao do CO2 (g): 4+ e 2-
Nessa reao o Fe reduziu ( diminui o nox) de 3+ para 0 e o CO oxidou
(aumentou o nox) de 2+ para 4+.
Formao da escria a partir do calcrio e da slica que acompanha ominrio de ferro
CaCO3(s) CaO(s) + CO2 (g)
CaO(s) + SiO2(s) CaSiO(l)
Periodicamente so retirados do alto forno a escria e o gusa. O gusa
uma liga F-C que contm entre 3,5% e 4,5% de carbono, um material muito
duro mas ao mesmo tempo frgil. A escria constituda de silicato de clcio,
utilizada em pavimentao e na fabricao de cimento e adubo. O gusa no
pode ser utilizado comercialmente devido suas baixas qualidades como a
ductilidade ou a maleabilidade. Sendo assim necessrio obter um material
que possua alm de dureza tambm outras propriedades importantes como
ductilidade, maleabilidade, tenacidade e flexibilidade. Para isso preciso que o
gusa sofra uma drstica reduo de carbono, essa diminuio feita nos
conversores a oxignio onde o gusa sofre uma reao com o oxignio que
produz CO e CO2. Quando o produto contiver entre 0,005% e 2% de carbono
pode ser denominado de ao.
gangaescria
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Pela tabela 2.1 percebe-se porque alguns metais so mais fceis de obter nanatureza e outros no.
Tabela 2.1 Potenciais de reduo de alguns elementos
ElementosPotencial
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Tabela 2.3 Principais pases produtores de ferro
Pas Reservas deminrio de
ferro(KT/m3)
Produo de ferro eao bruto (KT/m3)
EUA 23000 67656China 53600 37160
Polnia 15 14142Alemanha 387 35880
frica do Sul 15370 8383Frana 6200 18402Brasil 81559 7680Itlia 2 24188Peru 4403 274
Venezuela 7258 2206
O Brasil conta com pequenas reservas de carvo mineral nos estados de
So Paulo, Rio Grande do Sul e Santa Catarina. No entanto, esse carvo
considerado de m qualidade para uso siderrgico, devido a sua alta
porcentagem de cinzas e enxofre, que alm de reduzir o poder calorfico do
carvo, tambm influi nas caractersticas do ao. Entretanto essa m qualidade
tambm decorrncia do fato de os alto-fornos brasileiros serem cpias dos
estrangeiros, construdos para utilizao de carvo com caractersticas
diferentes. As grandes siderrgicas brasileiras, como a CSN, USIMINAS E
COSIPA utilizam carvo mineral proveniente de Santa Catarina. Este carvo
possui um poder calorfico em torno de 500 Kcal/Kg ( 20900 KJ/Kg), enquanto
o carvo estrangeiro da ordem de 8000 Kcal/Kg (33440 KJ/Kg). A produo
de ferro gusa nas siderrgicas acompanhada a cada corrida, atravs de
boletins de produo. Nesses boletins so registrados as massas de matrias-
primas empregadas e as de produtos obtidos. A produo mundial atualmente
de carvo metalrgico gira em torno de 2 bilhes de toneladas, sendo a China
o maior produtor, com um volume de 1,1 bilho de toneladas por ano. A
Austrlia, segundo maior produtor, com 400 milhes de toneladas, o maior
exportador e tambm um dos principais fornecedores das siderrgicas
brasileiras. O preo do carvo hoje, est em torno de US$ 125 a tonelada,
representando entre 40% e 50% do custo de produo de ao lquido.
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Tabela 2.4 Boletim de produo
Carga do alto-forno(T)
Ferro gusa (T) Escria (T)
Minrio 66Carvo 36,4Calcrio 3,2
40,0 12,4
O processamento do minrio de ferro pode ser representado pela
equao global:
2Fe2O3(s) + 6C(s)+ 3O2(g) 4Fe(s) + 6CO2 (g)+ energia
2x160g 6x 12g 3x2x16g 4x 56g 6x 44g
320g de 72g de 96g de 224g de ferro 264g de dixido
xido carbono oxignio de carbono
de ferro III
320 g de ferro III produzem 224 g de ferro
Pela tabela 2.4 sabe-se que a partir de 66T de minrio de ferro so
obtidas 40T de ferro gusa. A quantidade de ferro gusa prevista bem diferente
da real. Pela equao qumica anterior temos:
320g de Fe2O3(s) produzem 224g de Fe
66x106g de Fe2O3(s) devem produzir xg de Fe
x = 66x106g / 320 = 46,2 x106g = 46,2 T de Fe
Como a quantidade real obtida foi de 40 T, o rendimento do processoser
46,2 T ----- 100%
40 T ------ rendimento
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rendimento = 40/ 46,2 x100 = 86%
ou seja, o rendimento de um processo dado pela expresso
rendimento = massa de produto obtida / massa de produto esperada x 100
No caso do minrio de ferro brasileiro, o grau de pureza da hematita
cerca de 86,57%. Isso significa que em cada 100 partes da massa de qualquer
amostra desse minrio, 86,57 partes so constitudas por xido de ferro III. As
13,43 partes restantes correspondem ganga. Considerando os dados do
boletim de produo, quando se carrega o alto forno com 66 T de minrio,
apenas 57,14 vo se transformar em ferro, as 8,86 T restantes daro origem
escria. Isto confirmado pelo seguinte clculo
100 T do minrio correspondem 86,57 T de hematita
66 T do minrio ---------------- x ( quantidade real de hematita)
Retornando-se a Eq. global da produo de ferro
2Fe2O3(s) + 6C(s) + 3O2(g) 4Fe(s) + 6CO2 (g)
Pode-se calcular qual a massa de ferro produzida quando se usa 66 T deminrio cuja pureza de 86,57% de minrio de ferro.
320x 106
T produzem 224 x106
T57,14 T --------------- x
x = 39,99 T de ferro ( aproximadamente 40T ), exatamente como mostra oboletim de produo.
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Combustveis
a partir da combusto que o homem tem obtido a maior parte da
energia que ele necessita. Para isso, necessrio um dos elementos principais
para obter essa energia, isto , o combustvel. lcool, gasolina, leo diesel,
lenha, carvo mineral, gs liquefeito de petrleo e querosene so exemplos de
combustveis atualmente utilizados em diferentes setores da atividade humana.
Considera-se combustocomo sendo a transformao qumica que envolve a
queima de um material combustvel em presena de um comburente
(geralmente o oxignio), sendo frequentemente utilizados com o objetivo deobter energia na forma de calor. No entanto, a produo de calor, embora
necessria, no condio suficiente para que um material seja considerado
um bom combustvel. Alm da capacidade de liberar calor, o combustvel deve
apresentar tambm certas caractersticas que garantam um bom desempenho
durante a sua queima. Uma dessas caractersticas a volatilidade ou
facilidade de evaporao. O lcool e a gasolina, por apresentarem essa
facilidade so utilizados em motores de exploso. devido a maior volatilidadeda gasolina que, nos carros movidos s custas desse combustvel, a partida
mais rpida do que nos carros movidos a lcool. Um outro aspecto a ser
considerado na avaliao de um combustvel, refere-se a sua inflamabilidade.
Todo combustvel tem uma temperatura de inflamao determinada,
temperatura em que a evaporao se d em proporo suficiente para o
combustvel inflamar-se e manter a queima contnua. Essa temperatura
alcanada atravs do fornecimento de uma energia inicial que o aquece,elevando sua temperatura at a temperatura de inflamao. Desse modo, a
combusto se inicia de modo endotrmico e prossegue desenvolvendo calor.
Um dos aspectos a considerar na escolha de um combustvel a sua
eficincia, avaliada em relao quantidade de calor que capaz de produzir.
A quantidade de calor liberada por unidade de massa (ou de volume) do
material combustvel indicada como seu poder calorfico, que expresso em
Kcal/Kg ou KJ/Kg.
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Tabela 2.5 Poder calorfico de alguns combustveis
Combustvel Poder calorfico emKJ/Kg e emKcal/Kg
GLP 49030 11730Gasolina isenta de lcool 46900 11220
Gasolina com 20% delcool
40546 9700
Querosene 45144 10800leo Diesel 44851 10730
Carvo metalrgiconacional
28424 6800
Gs canalizado 17974 4300
Lenha 10550 2524Etanol 29636 7090
lcool combustvel 27200 6507Metanol 22200 5311Metano 53922 12900Propano 49951 11950Butano 49324 11800
Acetileno 40964 9800Hidrognio 120802 28900
Carvo mineral
O carvo mineral uma mistura de compostos ricos em carbono e ocorre
na crosta terrestre, resultante da fossilizao da madeira. A madeira formada
por carbono, oxignio e hidrognio, na fossilizao, o hidrognio e o oxignio
so eliminados na forma de gs carbnico, metano e gua. Assim, o resduo
carvo mineral vai se enriquecendo e se transformando em carbono ao passar
do tempo. A hulha uma variedade de carvo mineral que apresenta,
aproximadamente, 80% de carbono que quando aquecida entre 1000 e
1300C, na presena de corrente de ar obtm-se trs tipos de fraes:
Frao gasosa:
Obteno de combustveis domsticos e muito utilizada antigamente nailuminao de ruas (lampio a gs).
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Frao lquida:
Aqui obtido o benzeno, tolueno, xileno, naftaleno, etc.Frao slida:
Fase em que se obtm o carvo coque utilizado na obteno do ao.
Produtos siderrgicos
AS LIGAS FERRO-CARBONO
So as que apresentam em sua composio os elementos normais (
carbono, silcio, mangans, enxofre, e fsforo).
AS LIGAS FERRO-CARBONO ESPECIAIS
So as que apresentam em sua composio elementos diferentes dos
comumente apresentados nas ligas comuns. Para estudarmos a classificao
das ligas de ferro carbono comuns devemos considerar os seguintes aspectos:
O aumento do teor de carbono baixa o ponto de fuso da liga ferro-carbono.
As lidas de ferro-carbono que contm carbono na porcentagemcompreendida entre 0,005 e 1,7% so maleveis e tem o nome de
ao. As ligas especiais apresentam essa propriedade com teores de
carbono at 2%.
A partir de 2% o produto perde sua maleabilidade e recebe o nome deno malevel.
O produto no malevel pode tornar-se malevel se retirarmos oexcesso de carbono do mesmo. O material resultante denominadomaleabilizado.
Resumidamente temos de acordo com o teor de carbono:
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O ferro gusa um produto bruto. As suas propriedades no permitem o
emprego industrial direto, o gusa duro, frgil, no malevel, porm fundvel,
contendo sempre doses de substncias estranhas como o silcio, fsforo,
enxofre, mangans, etc. Ao quebrarmos um lingote de gusa a fratura pode se
apresentar branca (prateada) ou cinza. Quando h predominncia de cementita
(Fe3C) o gusa chamado branco, sendo duro, frgil, ponto de fuso entre 1100
e 1300C e quando h predominncia de grafita a fratura cinza escuro e o
gusa cinzento. menos duro que o gusa branco, ponto de fuso entre 1200 e
1250C.
A formao da grafita favorecida pelo silcio, isto , o gusa cinzento
contm sempre um certo teor de silcio, enquanto o mangans tem o efeito de
favorecer a formao da cementita. A eliminao completa do fsforo e
enxofre, substncias nocivas, praticamente impossvel; o teor mximo
admissvel no gusa para o mesmo servir fundio de 0,15% de enxofre e de
1,0% de fsforo.
Ferro fundido
O ferro fundido o produto da refuso do gusa, levada a efeito paratorn-lo mais homogneo, acertando ao mesmo tempo a sua composio para
aplicaes determinadas. um produto muito usado na indstria por possuir:
Baixo custo.
Boa capacidade de absorver vibraes.
Boa capacidade de resistir fadiga e concentraes de tenses.
Alta resistncia compresso e ao desgaste.
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Boas caractersticas no que se refere fundio possibilitando aobteno de peas. De formatos bastante complexos.
Quanto a sua constituio o ferro fundido pode ser branco, cinzento,
nodular e malevel. A composio qumica de um ferro fundido geralmente a
seguinte:
Carbono total: 3 a 4,5%
Silcio: 1 a 2%
Mangans: at 0,7%
Enxofre: at 0,1%
Fsforo: 0,6% a 0,8%
O carbono total a soma do carbono combinado na cementita e do
carbono graftico. O ferro fundido cinzentopossui uma dureza reduzida e em
vista da grafita pode ser usinado com facilidade. A usinagem geralmente feita
a seco. O ferro fundido branco duro e no usinvel. Contm 2 a 4% de
carbono, sob a forma combinada. Ele principalmente usado para a fabricao
do ferro malevel e para a moldagem de um nmero limitado de peas em quese deseja como caractersticas principais uma extrema dureza e alta
resistncia ao desgaste.
O ferro fundido nodular obtido pelo acrscimo de pequenas quantidades de
magnsio ou csio (meio quilo por tonelada aproximadamente) aqui a grafita
aparece sob a forma de ndulos ou esferas e se distribui mais uniformemente
por todo o material, dando uma material muito resistente e altamente dctil. No
caso dele possuir nquel (at 3,5%) ele se torna altamente resistente
corroso(inoxidvel). Caractersticas do ferro nodular:
Alta tenacidade
Alta fluidez
Excelente resistncia ao desgaste
Excelente soldabilidade
Maior usinabilidade que o ferro fundido cinzento
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Tempervel
Sistema de classificao
O sistema de classificao dos aos varia de acordo com o tipo de ferro
fundido em funo das suas faixas de composio qumica, de acordo com a
tabela 2.6
Tabela 2.6
Tipo C Si Mn P SCinzento 2,54,0 % 1,03,0 % 0,21,0 % 0,0021,0 % 0,020,25 %Dctil 3,04,0 % 1,82,8 % 0,11,0 % 0,010,1 % 0,010,03 %Branco 1,83,6 % 0,51,9 % 0,250,8 % 0,060,2 % 0,060,2 %Malevel 2,22,9% 0,91,9 % 0,151,2 % 0,020,2 % 0,020,2%
Aplicaes
Ferro fundido cinzento
Este material frgil e quebradio devido a sua microestrutura, no
servindo muito bem a aplicaes que requeiram elevada resistncia trao.
Sua resistncia e ductilidade so maiores sob compresso, alm de terem
excelentes capacidades de amortecimento de vibraes e elevada resistncia
ao desgaste mecnico. So aplicados como componente estrutural de
mquinas e equipamentos pesados sujeitos vibrao, peas fundidas de
vrios tipos que no necessitam de elevada resistncia mecnica, pequenos
blocos cilndricos, pistes, cilindros, discos de embreagem e peas fundidas de
motores a diesel.
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Ferro fundido dctil
Sua estrutura nodular confere maiores resistncia mecnica e ductilidadeao material, aproximando suas caractersticas das do ao. Suas aplicaes
incluem vlvulas carcaa de bombas, virabrequins, engrenagens, pinhes,
cilindros e outros componentes de mquinas e automveis.
Ferro fundido branco
Extremamente duro e frgil, chegando a ser inadequado para a usinagem
em alguns momentos. Sua aplicao restrita aos casos em que durezaelevada e resistncia ao desgaste so necessrias, como nos cilindros de
laminao. O ferro fundido branco, geralmente, utilizado como um processo
intermedirio na produo do ferro fundido malevel.
Ferro fundido malevel
Produto da transformao do ferro fundido branco aps tratamentotrmico em temperatura e atmosfera adequada. Apresenta caractersticas de
elevada resistncia mecnica e considerveis ductilidade e maleabilidade.
aplicvel tanto em temperaturas normais quanto mais elevadas. Flanges,
conexes para tubos, peas para vlvulas ferrovirias e navais, e outras peas
para indstria pesada so algumas das aplicaes tpicas do ferro fundido
malevel
Estrutura Cristalina
Os metais quando solidificam eles cristalizam, ou seja, os seus tomos
que no estado lquido, estavam se movimentando mais livremente e sem
nenhuma organizao, agora esto localizados em posies relativamente
definidas e ordenadas, que se repetem em trs dimenses, formando uma
figura geomtrica que o cristal. Existem sete sistemas cristalinos: triclnico,
monoclnico, ortormbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cbico. De acordo
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com a disposio dos tomos, originam-se desses sistemas 14 possveis
distribuies de acordo com o tipo de metal e suas respectivas temperaturas e
presso. Essas distribuies dos tomos chamada de reticulados ou redes.
Tabela 2.7 Raios atmicos e estruturas cristalinas para alguns metais
Metal Estruturacristalina
Raioatmico
(nm)
Metal Estruturacritalina
Raioatmico
(nm)Alumnio CFC 0,1431 Molibdnio CCC 0,1363Cdmio HC 0,1490 Nquel CFC 0,1246
Cromo CCC 0,1249 Platina CFC 0,1387Cobalto HC 0,1253 Prata CFC 0,1445Cobre CFC 0,1278 Titnio HC 0,1445Ouro CFC 0,1442 Tungstnio CCC 0,1371Ferro CCC 0,1241 Zinco HC 0,1332Chumbo CFC 0,1750
CLULAS UNITRIAS
As clulas unitrias so pequenos volumes que representam a disposio
geomtrica dos tomos, como o modelo atmico repetido indefinidamente,
torna-se conveniente subdividir a rede cristalina em clulas unitrias. A
distncia repetida chamada de parmetro cristalino, dita o tamanho de uma
clula unitria, tambm a dimenso da aresta da clula unitria.
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Figura 2.7 Parmetro cristalino (Pc)
Exemplo 1:
A clula unitria do cromo cbica e contm dois tomos. Determine o
parmetro cristalino para o cromo.
SOLUO
Consultando a tabela peridica obtemos a massa atmica do Cr = 52 U e a
massa molar = 52g. a densidade do cromo : 7,20g/cm3.
A massa por clula unitria = 2 . 52g / 6,02 x1023 = 172,76x10-24g
Mas, Densidade = massa / volume
Volume = massa / densidade = 172,76 x10-24g / 7,20x106g/m3 = 23,994x10-30 m3
Volume do cubo = aresta3
Ento a aresta ou o parmetro cristalino = 0,2884 x10-9 m ou 0,2884 nm
Um conjunto de clulas unitrias forma o cristal com contornos geomtricos,
onde ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento passa a
chamar-se gro.
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Figura 2.8 Estrutura cristalina granular
Cada gro constitudo de milhares de clulas unitrias, estas por sua
vez, consistem em grupos de tomos dispostos em posies fixas, formando
figuras geomtricas como foi indicado na figura 2.8.
ALOTROPIA
Alotropia ou polimorfismo a propriedade de certos metais, apresentam
reticulados cristalinos diferentes, conforme a variao da temperatura. Como
exemplo temos o ferro que no estado slido e temperatura ambiente apresenta
uma grade cbica centrada no espao, essa denominao chamada de cubo
de corpo centrado.
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Figura 2.9 Cubo de corpo centrado
Aquecendo-se o ferro a 910C os tomos mudam de posio e o conjunto semodifica e a grade anterior se transforma em grade cbica de face centrada.
Figura 2.10 Cubo de face centrada
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Continuando o aquecimento at 1390C, o cubo de face centrada
transforma-se novamente em cubo de corpo centrado. Podemos resumir essas
transformaes de acordo com a tabela 2.8
Tabela 2.8 Transformaes alotrpicas do ferro
Modificao Estrutura cristalina Faixa de estabilidade(C)Alfa CCC At 910Gama CFC 910-1390Delta CCC 1390-1535
RETICULADOS CBICOS
Numa rede cristalina de cubos de corpo centrado, cada tomo dos
vrtices repartido com os sete outros vrtices dos cubos vizinhos, possuindo
cada vrtice somente 1/8 de tomo, ou seja, 8. 1/8 + 1(tomo do centro) = 2
tomos por clula unitria.
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Figura 2.11 2 tomos por clula unitria
J na rede de cubos de faces centradas, cada cristal possui 1/8 de tomo
em cada vrtice e meio tomo no centro de cada face. Os tomos das faces
so repartidos com as faces adjacentes. 8.1/8 + 6.1/2 = 4 tomos.
Figura 2.12 4 tomos por clula unitria
Exemplo 2
Calcule o volume de uma clula unitria CFC em termos do raio atmico R
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Exemplo 4
Demonstre que o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalinaCFC de 0,74.
SOLUO
O volume de uma esfera 33
4R , e uma vez que existem quatro tomos por
clula unitria CFC, o volume total dos tomos (ou esferas)
4 33
4R = 3
3
16R e de acordo com o exemplo 2, o volume total da clula unitria
16R3 2 , portanto, o fator de empacotamento atmico
FEA =216
)3
16(
3
3
R
R
= 0,74
DEFEITOS DOS CRISTAIS
Os defeitos nos cristais podem ser causados pela sua arrumao durante
o seu crescimento, por vibrao, vazios ou lacunas etc. Consideremos at
nesse momento a rede cristalina como um empilhamento perfeitamente
simtrico, mas, na realidade, os metais no so perfeitos. Do ponto de vista
geomtrico podemos classificar os defeitos das redes cristalinas em
Defeitos de ponto
Defeitos de linha
Defeitos de superfcies
Os defeitos pontuais podem ser
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Lacunas pontuais: a mais simples, normalmente ocorre quando falta
um tomo no reticulado normal.
Figura 2.13 Lacuna
tomos intersticiais: um tomo preso numa posio intermediriadentro do reticulado cristalino.
Figura 2.14 tomos intersticiais
Defeito de linha a discordncia, que o acmulo de vrios tomos numa
mesma linha com o mesmo tipo de defeito. J os defeitos de superfcies
aparecem geralmente nos contornos dos gros ou junes dos cristais.
DEFEITOS DURANTE A SOLIDIFICAO DOS METAIS
-Bolhas: vazios oriundos de gases dissolvidos no lquido e que ficaramretidos no lingote fundido. Para se evitar as bolhas utilizam-se, desoxidantes.Ex: Fe-Si, Fe-Mn, que evitam a formao de CO ou CO2, pois se combinamcom o O2.
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-Trincas: so ocasionadas pelas tenses excessivas que se desenvolvemdurante o resfriamento ou ainda devido ao formato desigual das peas,
impedindo o resfriamento uniforme.
-Segregao: ao solidificar um metal, as impurezas como: fsforo eenxofre, no so to solveis no estado slido como no lquido, portanto sorepelidas para o lquido quando a solidificao se propaga. A solidificaocominha da periferia para o centro, portanto no centro que as impurezas seacumulam, esse fenmeno denominado segregao.
-Rechupe: a solidificao de um metal se inicia pelas partes que esto emcontato com as paredes do molde ou na parte superior, onde o metal est
exposto ao ar. O metal ao passar do estado lquido para o slido diminui seuvolume, portanto aparecer uma regio central no lingote ou pea que sechama rechupe.
DEFORMAO PLSTICA DOS METAIS
A deformao plstica acarreta uma mudana de lugar permanente dos
tomos da rede cristalina. Com a interrupo das tenses, os tomos da rede
cristalina no retornam as suas distncias interatmicas normais, ou seja, no
voltam as suas posies de origem. Dois mecanismos estruturais bsicos
podem estar presentes no cristal durante o processo de deformao plstica:
escorregamento e maclao.
No escorregamento uma parte do cristal move-se em relao a outra
parte, segundo determinados planos e direes. Na maclao uma parte do
cristal inclina-se em relao a outra parte a partir de um plano limite das duas
partes. O principal mecanismo de deformao plstica, contudo, o de
escorregamento provocado pela movimentao de discordncias.
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Figura 2.15 Escorregamento e maclao
A presena de contornos de gro interfere no comportamento dos metais
quando sujeitos a deformao. Assim sendo nos metais policristalinos, como
ocorre geralmente, o tamanho de gro um dos fatores importantes a
considerar na sua deformao plstica, assim como nas suas propriedades
mecnicas. A deformao quando aplicada nos metais policristalinos, ocorre nointerior dos gros. Ao passar de um gro para outro, a orientao
cristalogrfica muda bruscamente.os gros que esto orientados em relao a
direo do esforo aplicado, deformam-se em primeiro lugar, em seguida
deformam-se os gros menos favoravelmente orientados. A deformao em
geral no se d atravs dos contornos dos gros, pode-se dizer assim que
esses contornos constituem uma regio de maior resistncia mecnica. Dessa
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forma podemos concluir que a medida que diminui o tamanho de gro,
aumenta a resistncia deformao mecnica.
DEFORMAO A FRIO E DEFORMAO A QUENTE
Costuma-se distinguir o trabalho mecnico a frio do trabalho mecnico a
quente, por uma temperatura indicada como temperatura de recristalizao,
que caracterstica de cada metal e definida como a menor temperatura na
qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio restaurada ou
substituda por uma estrutura nova, livre de tenses, aps a permanncia
nessa temperatura por um tempo determinado. O trabalho mecnico a frio ao
causar uma deformao plstica abaixo da temperatura de recristalizao
provoca o chamado encruamento cujos efeitos so traduzidos por uma
deformao da estrutura cristalina e modificao das propriedades mecnicas
do material, efeitos esses tanto mais intensos, quanto maior a intensidade do
esforo mecnico a frio. O material encruado tambm sofre uma diminuio da
condutibilidade eltrica ficando num estado de elevadas tenses internas
devido ao aumento do nmero de discordncias. Um metal no estado normal (
recozido) contm cerca de 106 a 108discordncias por centmetro quadrado,
enquanto que um metal severamente encruado contm cerca de 10 12
discordncias por centmetro quadrado.
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Tabela 2.8 Efeito do encruamento de alguns metais e ligas
As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio
podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anterior ao encruamento
mediante um tratamento trmico de recristalizao ou recozimento. O principal
efeito da recuperao o alvio das tenses internas, restaurando-se ao
mesmo tempo certos caractersticos fsicos alterados, como a condutibilidade
eltrica que aumenta rapidamente.
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Tabela 2.9 Temperatura de recristalizao de alguns metais
Metal Temperatura de recristalizao (C) Temperatura de fuso (C)
Alumnio 150 660Magnsio 200 650
Prata 200 960Ouro 200 1063Cobre 200 1083Ferro 450 1536
Platina 450 1769Nquel 600 1450
Molibdnio 900 2610Tungstnio 1200 3410
Polimorfismo
Dois cristais so polimorfos quando possuem estruturas cristalinas
diferentes, mas a mesma composio.
Materiais no cristalinos (amorfos)
So aqueles nos quais os tomos no se repetem num arranjo em largasdistncias. Exemplos:
Vidro Gases
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QUESTES DO CAPTULO
1) O que metalurgia?
2) O que corroso?
3) Quem apresenta no estado natural, maior tendncia a sofrer oxidao,
o alumnio ou o ferro? Explique
4) Quais so as etapas de obteno do ferro?
5) O que Fe2O3?
6) Qual a finalidade do carvo no alto forno?
7) O que fazer reduzir um elemento qumico?
8) Quais so as principais impurezas que compem o ferro gusa?
9) Qual a caracterstica principal do ferro gusa?
10) O que ao?
11) Quais as principais propriedades mecnicas que o ao deve possuir?
12) O que ferro alfa?
13) O que ferro gama?
14) O que CCC e qual a sua faixa de estabilidade para o ferro puro?
15) A clula unitria do Fe cbica e contm 4 tomos. Determine o
parmetro cristalino do Fe em metros.
16) Qual a diferena do ferro fundido branco para o cinzento?
17) Quais so as reaes que ocorrem no alto forno?
18) O que encruamento?
19) Cite trs defeitos dos cristais
20) O que um material maleabilizado?
21) Quais so as vantagens do ferro fundido?
22) Cite quatro tipos de reticulados cristalinos
23) O que alotropia?
24) O que escorregamento e maclao?
25) Um material metlico passou por um processo de conformao a frio e
sofreu encruamento, como podemos melhorar a sua estrutura?
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AULA 3AO
Ao: liga Fe-C contendo geralmente de 0,008 at cerca de 2% de C (carbono),
alm de certos elementos residuais do processo, sendo um material tenaz, de
excelentes propriedades, de fcil trabalho, podendo tambm ser forjvel.
Principais influncias do carbono nas propriedade do ao:
Aumento da dureza
Aumenta o limite de resistncia e limite de escoamento
Reduo da ductilidade
Diminui a tenacidade
Diminuio do alongamento
Aumenta a temperabilidade (formao da martensita)
Dificulta a soldagem (endurecimento e trincas na solda e na
ZATzona afetada termicamentre)
AOS- CARBONO
So os aos resultantes de uma combinao qumica de ferro e carbono,
nas quais o teor de carbono varia entre 0,05 a 1,7%. Comumente tais aos
contm alm do Fe e C, outros elementos como o mangans, silcio, enxofre e
o fsforo que entram na composio em porcentagens pequenas e que so
considerados impurezas. Porm se o teor de mangans for superior a 1,65%
ou o do silcio acima de 0,60%, 0s aos sero classificados entre os de liga. As
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propriedades mecnicas dos aos- carbono variam quase que exclusivamente
em funo do teor de carbono existentes nas respectivas composies, pois,
quanto maior o teor deste, o ao se torna mais duro e resistente trao,
enquanto que diminui em tenacidade, alongamento e maleabilidade.
EFEITOS DOS ELEMENTOS COMPONENTES
Ferro (Fe): o elemento bsico da liga.
Carbono ( C): elemento determinativo dos aos-carbono. Mangans ( Mn): adicionado ao ao no curso de sua
produo siderrgica, como elemento desoxidante e
dessulfurizante, e a maior parte dele removida em forma de
escria, permanecendo na composio final um teor inferior a
1,65%.
Silcio (Si): todos os aos-carbono contm silcio em
proporo que varia de 0,05 a 0,30%, a qual constitui uma
impureza normal, no exercendo grandes influncias nas
propriedades dos aos.
Enxofre (S): tolerado nos aos um teor mnimo de
0,055% nos aos denominados de corte livre, em que esse
elemento adicionado at 0,35% para melhorar a usinabilidade
dos mesmos.
Fsforo (P): quando o teor ultrapassar certos limites, esse
elemento passa a constituir um dos componentes mais nocivos
para os aos, uma vez que os tornam frgeis e quebradios.
CLASSIFICA O DOS AOS-CARBONO
Comumente os aoscarbono so classificados, segundo o teor decarbono como indica a tabela 1.1
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Tabela1.1 Classificao dos aos-carbono
Carbono (%) DenominaoAt 0,15 Extra doce0,15 a 0,30 Doce0,30 a 0,40 Meio doce0,40 a 0,60 Meio duro0,60 a 0,70 Duro0,70 a 1,20 Extra duro1,20 a 1,70 Emprego especial
Os aos-carbono com teor de carbono superior a 0,30% adquirem
tmpera e at 0,30% podem ser endurecidos superficialmente atravs de um
tratamento especial denominado cementao. Com at 0,30% de carbono eles
so encontrados comercialmente em forma de chapas, fios, vergalhes,
perfilados e tubos. Com mais de 0,30% de carbono os aos so fornecidos em
forma de barras ( circulares, sextavadas, quadradas, retangulares).
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EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA
Nquel: Aumentam a resistncia ao desgaste, o limite de elasticidade, a
dureza e a tenacidade. Adicionado juntamente com o cromo fica
conhecido como aos inoxidveis.
Cromo: Aumentam o limite de elasticidade, dureza, a resistncia ao
desgaste e melhora a propriedade de tmpera em gua ou leo sem
muita deformao. classificado entre os aos inoxidveis com teor
superior a 10%.
Mangans: S considerado elemento de liga quando sua porcentagem
for superior a 1,65%. Adicionado em pequenas quantidades aumenta a
dureza, a resistncia ao desgaste e a resistncia a trao.
Molibdnio: Depois do carbono esse elemento o que exerce maior
influncia na dureza do ao. Aumenta a profundidade de tmpera,
aumentando tambm a resistncia corroso dos aos inoxidveis.
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Tungstnio: Aumenta a dureza do ao e sua resistncia ao calor, assim
como a tenso de ruptura e o limite de escoamento.
Cobalto: Entra na composio dos aos para as ferramentas de corte e
na fabricao de ims permanentes. Pequenas propores so
adicionados aos aos especiais para as ferramentas, que lhes
proporcionam maior dureza, no entanto, em grandes porcentagens
tornam os aos menos resistentes ao impacto.
Silcio: Todas as categorias de aos contm algumas porcentagens de
silcio e em sua maioria entre 0,10 a 0,35%. Ele desoxida os aos e comum teor de at 1,75% aumentam o limite de elasticidade e a resistncia
ao impacto.
Vandio: Tem a propriedade de aumentar a resistncia a trao sem
diminuir a ductilidade. Com maiores porcentagens, emprega-se na
fabricao de aos rpidos.
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AQUECIMENTO DO AO
O que acontece com o ao ao ser aquecido?
No caso de ao no ligado que contm 0,4% de carbono:
- em temperatura de 300C a estrutura do ao ao carbono igual a suaestrutura na temperatura ambiente: ferrita (cor branca) e perlita (cor preta);
- em temperatura de 723C inicia-se uma transformao em sua estrutura: aferrita transforma-se em austenita e a cementita da perlita se decompe;
- em temperatura de 800C toda a estrutura do ao transforma-se em austenita.
O grfico anterior ilustra uma regio de mudana de fase em intervalo detemperatura: A ferrita e a perlita transformam-se em austenita. Essa regio chamada zona crti ca: rea em que as clulas unitrias do ferro CCC setransformam em CFC, durante o aquecimento do ao.
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A austenita forma-se no ao a partir de 723 C. Encontra-se na regio acima dazona crtica, na zona de austenitizao, conforme se pode observar no grfico.
A austenita tem uma estrutura cbica da face centrada (CFC), apresentandomenor resistncia mecnica e boa tenacidade. No magntica.
Os cristais de ferro puro observados ao microscpio formam umaestrutura denominada ferrita. A ferrita ferro alfa, ou seja, ferro puro que podeconter em soluo, pequenas quantidades de Si-P e outras impurezas.Cristaliza no sistema cubo de corpo centrado, tem uma resistncia aproximadade 28 Kg/mm2, 35% de alongamento e uma dureza de 90 Brinell. o mais mole de todos os constituintes, muito dctil, malevel e magntico. Oteor de carbono exerce significativa influncia nas propriedades mecnicas doao. Quanto maior, maiores a dureza e a resistncia trao. Entretanto, aoscom elevados teores de carbono so prejudicados pela maior fragilidade devido maior quantidade de cementita, uma substncia bastante dura masquebradia. A cementita deposita-se em forma de finas lamelas entre oscristais de ferro formando outra estrutura regular denominada de perlita. Aperlita aparece geralmente por esfriamento lento da austenita, tem umaresistncia de 80Kg/mm e um alongamento de 15%. Ao microscpio, a perlitaapresenta-se como um desenho parecido com uma impresso digital.
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TRATAMENTOS TRMICOS
De modo geral, o tratamento trmico consiste em aquecer e resfriar umapea de metal para que ela atinja s propriedades mecnica desejadas comodureza, elasticidade, ductibilidade e resistncia a trao, que so chamadaspropriedades mecnicas do metal. A pea adquiri esta propriedade sem que semodifique o estado fsico do metal.
PROCESSO
A pea de ao deve ser colocada em um forno com temperatura definida para otipo de material, durante o tempo que foi calculado para alcanar o efeitodesejado. Retira-se com segurana do forno com o uso de uma tenaz esubmete-se ao resfriamento.
O resultado desse processo a mudana nas propriedades mecnicas do ao,
e dependem de trs fatores:
- Temperatura de aquecimento
- Velocidade de resfriamento
- Composio qumica do material
FATORES DE INFLUNCIA NOS TRATAMENTOS TRMICOS
O tratamento trmico representa um ciclo tempo temperatura, de modo que,basicamente, os fatores a considerar so os seguintes: aquecimento, tempo depermanncia temperatura e resfriamento.
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AQUECIMENTO.
Considerando como objetivo fundamental do tratamento trmico a modificaodas propriedades mecnicas do material, verifica-se que isto s conseguidomediante uma alterao da sua estrutura. Nestas condies, a liga consideradadeve ser aquecida a uma temperatura que possibilite tal modificao. Estatemperatura corresponde geralmente valores acima da temperatura derecristalizao do material; no caso dos aos chamamos de temperatura crtica.No aquecimento deve ser considerado o fator velocidade de aquecimento, queno pode ser muito lenta, casocontrrio haver excessivo crescimento de gro, Ou
muito rpida, o que poder provocar empenamento ou mesmo aparecimentode fissuras.
TEMPO DE PERMANNCIA TEMPERATURA.
A influncia do tempo de permanncia temperatura de aquecimento maisou menos idntica a influncia da mxima temperatura de aquecimento, ou
seja, o tempo temperatura deve ser suficiente para que as peas se aqueamde modo uniforme atravs de toda sua seo. Deve-se evitar tempo alm doestritamente necessrio para que isto ocorra, pois pode haver indesejvelcrescimento de gro, alm da oxidao de determinadas ligas.
RESFRIAMENTO.
A escolha do meio de resfriamento fundamental no processo de tratamentotrmico e depende essencialmente da estrutura final desejada. O aumento dopercentual do carbono na liga o responsvel pelo aumento da dureza do ao.
Esse aumento do carbono se traduz pelo aumento da cementita na mistura.Com os tratamentos trmicos podemos modificar as formas de cristalizao do
ao e a disposio do carbono na liga, modificando, assim, a dureza domaterial. A modificao da forma de cristalizao conseguida atravs da
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velocidadede resfriamento podendo endurecer ou amolecer o material.
TIPOS DE TRATAMENTOS TRMICOS
Existem duas classes de tratamentos:
Os tratamentos trmicos: que por simples aquecimento e resfriamento,
modificam as propriedades de toda a massa do ao.Os tratamentos termoqumicos: que modificam as propriedades somente numafina camada superficial da pea. Nesses tratamentos a pea aquecidajuntamente com produtos qumicos e posteriormente resfriada.
RECOZIMENTO
Esse tratamento trmico tem por objetivo reduo da dureza que os aospossam apresentar devido a processos anteriores tais como: conformao afrio (encruamento), tratamentos trmicos, processos de soldagem, fundio ououtros processos que gerem endurecimento.
Torna o ao mais homogneo, melhora sua ductilidade tornando-o facilmenteusinvel. O tratamento consiste em elevar-se a temperatura da pea at atransformao completa em austenita e resfriar-se lentamente. de umamaneira geral, indica-se o resfriamento com a pea envolvida em areia para osaos de baixo carbono e o resfriamento controlado dentro do forno, para os
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aos de alto carbono. Aps o recozimento a perlita se apresenta mais grosaresultando da uma menor dureza e resistncia
NORMALIZAO
Pode ser tambm chamado de recozimento de normalizao. O seu objetivo dotar o ao de suas caractersticas normais (material laminado a quente eresfriamento ao ar). A normalizao refina a granulao do ao; apagavestgios de tratamentos trmicos anteriores; elimina microestruturas brutas de
fundio; regulariza microestruturas em juntas soldadas. As peasNormalizadas apresentam dureza mdia e uma boa resistncia mecnica aocontrrio das peas recosidas que sobem macias; maleveis e poucoresistentes. O tratamento consiste emaquecer o material at a temperaturade transformao da austenita e fazer-se resfriamento ao ar. Asmicroestruturas obtidas na
normalizao so semelhantes s dorecozimento apenas com a diferenade que a perlita se apresenta mais fina resultando da uma maior dureza eresistncia.
REVENIMENTO
um tratamento trmico subcrtico (abaixo da temperatura de transformaoda austenita) Tem como objetivo aliviar as tenses na martensita reduzindosignificativamente sua fragilidade reduzindoconseqentemente a dureza obtida natmpera. A microestrutura obtida chamada martensita revenida. Astemperaturas do revenido podem variar deacordo com o desejo de maior ou menoralvio de tenses internas e a suaconseqente perda de dureza. Altas
temperaturas de revenido podem estar
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entre 550/650 C e baixas temperaturas esto entre 300/400 C. Resfriamentoao ar.
TMPERA
O tratamento de tmpera consiste em elevar-se o material temperatura detransformao da austenita e resfriar-se o material rapidamente. Esseresfriamento deve ser mais rpido quanto menor for o teor de carbono nomaterial. Podemos utilizar como meios de resfriamento desde a salmoura
gelada, passando por resfriamento em gua gelada, gua temperaturanormal, leo, ar soprado ou ar normal. Os tratamentos de tmpera tambmpodem apresentar diversas maneiras de serem efetuados. Temos a tmperacomum com pouco controle no resfriamento ou as tmperas mais elaboradasque por isso mesmo recebem os nomes de austmpera ou martmpera. Amicroestrutura que se deseja obter na tmpera comum a martensita. Essamicroestrutura apresenta elevada dureza, elevada resistncia mecnica eelevada fragilidade. A tmpera comum causa um grau elevado de tensesinternas podendo gerar trincas e empenos em peas mais delicadas. Outroresultado dessa tmpera a perda de tenacidade. Para reduzir essesinconvenientes indicado a seguir um tratamento de revenimento.
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Para se entender os tratamentos trmicos a seguir necessrio conhecer ascurvas TTT. As curvas, Temperatura, Tempo, Transformao (TTT) so
caractersticas que os aos apresentam no resfriamento. Visto em um grfico x,y (temperatura, tempo) elas assim se apresentam:
Vejamos, ento como podemos aproveitar essas caractersticas dos aos aoserem resfriados. Quando queremos obter uma transformao na estruturainterna de uma pea de ao, devemos aquec-la a uma temperatura acima dalinha de transformao da austenita. Ao resfri-la podemos faz-lo mais oumenos lentamente. A distncia (tempo) entre o zero e o ponto a no grfico
varia para cada tipo de ao podendo ser muito grande ou menor que zero. Porisso devemos conhecer essas curvas do ao que queremos temperar para quepossamos utilizar o tipo de tmpera mais adequado.
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Quando a curva do resfriamento, devido sua pouca velocidade corta ascurvas 1 e 2 no seu ponto alto obtemos uma microestrutura no material
formada por perlita grosseira (recozimento). Quando a velocidade deresfriamento um pouco maior temos como microestrutura, no material, aperlita fina (normalizao). Quando essa velocidade muito grande e no cortaas curvas temos a formao de martensita (tmpera comum).
MARTMPERA
A martmpera tem por objetivo obter na pea tratada uma estrutura demartensita como na tmpera comum, porm devemos controlar o resfriamentopara que quando a temperatura alcanar a linha Mi (incio da formao damartensita) esse resfriamento retardado de maneira que a transformao secomplete mais lentamente. Omeio de resfriamento normalmente leo ou salfundido. O material mantidomaior tempo entre as duaslinhas de transformao paraque a formao da martensitase d de maneira uniforme,gerando menores tensesinternas. Em seguida a pea resfriada a qualquer
velocidade. Esse tratamento
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normalmente necessita o tratamento de revenimento para aliviar tensesresiduais.
AUSTMPERA
um tratamento de endurecimento dos aos que consiste em aquecer omaterial acima da temperatura de formao de austenita manter essatemperatura at a completa transformao e fazer um resfriamento brusco atuma temperatura ligeiramente acima da linha Mi. Esse processo obtido
atravs da manuteno do material em banho de chumbo ou sal (fundidos)(260 a 440 C). Deixando o material a uma temperatura constante durante otempo em que a linha de resfriamento ultrapassa as curvas 1 e 2 na altura
de transformao da bainita (sempre em temperatura constante). Atemperatura escolhida dependeda dureza que queremos obter.Quanto mais baixo no grficoatingimos a bainita maiorendurecimento vamos
conseguir. Esse tratamentodispensa o revenimento porgerar baixas tenses internas. normalmente indicado paratemperar peas delicadas ondeos empenos e as deformaesso crticos. A desvantagem desse tratamento que ele no podeser feito emaos de baixa temperabilidade alm de ser um tratamento mais caro.
TRATAMENTOS TERMOQUMICOS
CEMENTAO
A finalidade da cementao fazer com que um ao de baixo teor de carbono(macio) fique com a superfcie dura, reunindo assim as duas caractersticasideais de uma pea. Que seja macia o suficiente para no partir com a
continuidade de choques e no se desgastar por abraso nos pontos onde se
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atrite com outras peas, como nos mancais. Esse tratamento feito aquecendoa pea em um ambiente rico em carbono, o material do ambiente em que fica
a pea pode ser slido, lquido ou gasoso. A pea deve permanecer nesseambiente por um tempo suficiente para que o carbono migre atravs domaterial da pea tornando assim, a superfcie rica em carbono. A espessura dacamada dura depende do tempo de permanncia da pea nesse ambiente.Essa permanncia a alta temperatura faz com que cresa demasiadamente agranulao do material cementado. Para que isso no acontea o ao deve serespecial para cementao, quer dizer, deve ter elementos de liga que iniba oaumento do gro, com a temperatura. Aps o tratamento superficial(cementao) a pea deve ser temperada para que a camada superficial, rica
em carbono adquira a dureza desejada. Muitas vezes esse endurecimento feito atravs da tmpera por induo.
NITRETAO
um tratamento semelhante cementao. Apenas em vez do uso daatmosfera de carbono, utiliza-se uma atmosfera rica em nitrognio. Esse
elemento combina-se com alguns elementos de liga do ao (principalmente oalumnio), formando nitretos que tm elevada dureza. Esse tratamento temcomo vantagem sobre a cementao o fator de no necessitar tmpera e aindaaumentar a resistncia da peca fadiga e corroso. Tem ainda a vantagemde utilizar temperaturas menores que a com menores riscos de empenos dapea nitretada. Tanto na nitretao como na cementao o interior da pea nosofre modificaes consideradas.
CARBONITRETAO
O meio carbo-nitretante uma atmosfera gasosa, contendo carbono enitrognio ao mesmo tempo. A atmosfera pode ser constituda pelos seguintesgases:
Gs de gerador77 a 89%
Gs natural9 a 15%
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Amnia2 a 8%
A temperatura vria de 700. a 900. C e o tempo de tratamento relativamente pequeno; a espessura das camadas carbo-nitretadas vria de0,07 a 0,7 mm
A carbonitretao usada, geralmente em peas de pequeno porte, comocomponentes de relgios e aparelhos eletrodomsticos.
Temperaturas ideais de alguns tratamento trmicos
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QUESTES DO CAPTULO
1)No que consiste a tmpera?
2) Para temperar um ao com 1,40% de carbono recomenda-se aquece-lo a
uma temperatura acima de aproximadamente 850C e depois resfria-lo
rapidamente. Esse procedimento est correto? Caso no esteja explique o
processo ideal.
3)Qual ou quais tratamentos trmicos que consiste aquecer um ao com 0,4%
de carbono acima do ponto crtico e em seguida resfria-lo ao ar?
4)Quando normalmente utiliza-se o tratamento trmico de alvio de tenses?
5)O que ferrita?
6)O que cementita?
7)O que austenita?
8)O que perlita?
9)O que martensita?
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