Baixe Ferro Aco Conceitos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Metalúrgica, somente na Docsity! Constituintes estruturais de equilíbrio dos aços Austenita: É uma solução sólida de carbono em ferro gama. Somente é estável as temperaturas superiores a 723 ºC, desdobrando-se por reação eutetóide, a temperaturas inferiores, em ferrita e cementita. Somente pode aparecer austenita a temperatura ambiente nos aços austeníticos, nesse caso, a austenita é estável a temperatura ambiente. É deformável como o ferro gama, pouco dura, apresenta grande resistência ao desgaste, é magnética, e é o constituinte mais denso dos aços e não é atacada por reagentes. A resistência da austenita retida à temperatura ambiente oscila entre 80 e 100 daN/mm2 e alongamento entre 20 e 25 %. Pode dissolver até 1,7 – 1,8 % de carbono. Apresente rede cristalográfica cúbica de face centrada. Ferrita: Este constituinte está formado por uma solução sólida de inserção de carbono em ferro alfa. É o constituinte mais mole dos aços porém é o mais tenaz, e o mais maleável, sua resistência a tração é de 28 daN/mm2 e alongamento de 35%. Sua solubilidade máxima é de 0,008 %. Pode também manter em solução de substituição a outros elementos tais como Si, P, Ni, Cr, Cu, que aparecem nos aços, bem como impurezas como elementos de ligação. A ferrita apresenta-se nos aços como constituinte e misturada com a cementita para formar parte da perlita. Se o aço é muito pobre em carbono, sua estrutura está formada quase que totalmente por grãos de ferrita cujos limites podem ser revelados facilmente com o microscópio, depois de um ataque com ácido nítrico diluído. Os grãos são equiaxiais. Perlita: Formada por uma mistura eutetóide de duas fases, ferrita e cementita, produzida a 723 ºC quando a composição é de 0,8 %. Sua estrutura está constituída por lâminas alternadas de ferrita e cementita, sendo a espessura das lâminas de ferrita superior ao das de cementita, estas últimas ficam em relevo depois do ataque com ácido nítrico. A perlita é mais dura e resistente que a ferrita, porém mais branda e maleável que a cementita. Apresenta-se em forma laminar, reticular e globular. Cementita: É o constituinte que aparece em fundições e aços. É o carboneto de ferro, de fórmula Fe3C. É muito frágil e duro, apresentando mais de 840 Vickers, e é muito resistente ao cisalhamento. Em baixas temperaturas é ferromagnético e perde esta propriedade a 212 ºC (ponto de Curie). O ponto de fundição acima de 1950 ºC, e é termodinamicamente instável a temperaturas inferiores a 1200 ºC. Bainita: É o constituinte que se obtém na transformação isotérmica da austenita quando a temperatura do banho de resfriamento é de 250 a 500 °C. Apresenta 2 tipos de estrutura: a bainita superior de aspecto arborescente formada a 500 – 580 °C, composta por uma matriz ferrítica contendo carbonetos e a bainita inferior, formada a 250 – 400 °C, tem um aspecto similar a martensita e está constituída por agulhas alargadas de ferrita que contém placas finas de carboneto. A bainita tem dureza que vai de 40 a 60 HRc. Sorbita: É obtida com um revenimento depois da têmpera. Ao realizar o aquecimento a martensita experimenta uma série de transformações e no intervalo compreendido entre 400 e 650 °C a antiga martensita perdeu tanto carbono, que se converteu em ferrita. A estrutura aí obtida é conhecida como sorbita. Martensita: É uma solução sólida, intersticial, supersaturada de carbono em ferro alfa. É o constituinte estrutural da têmpera dos aços e sua microestrutura apresenta-se na forma de agulhas cruzadas. Os átomos de ferro estão como na ferrita, nos vértices. Os átomos de carbono estão nas faces e nas arestas, apresenta por isso uma rede distorcida. Esta distorção da rede é a responsável pela dureza da martensita. Apresenta uma rede tetragonal. Suas características mecânicas são resistência a tração entre 170 – 250 kg/mm2, dureza HRC entre 50 – 60, alongamento de 0,5 % e é magnética. Ferros & aços - Alguns conceitos básicos Introdução Ferro é o metal mais utilizado pelo homem. A abundância dos minerais, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão ao metal uma extensa variedade de aplicações. Alguns metais, como o cobre por exemplo, podem ser usados no estado quimicamente quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da ciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como uma liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros. Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,11%, contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Se o aço não contém estes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, aço-liga. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%. Produção À metalurgia do aço, dá-se o nome de siderurgia. Neste tópico estão algumas informações resumidas sobre a produção siderúrgica, sem maiores detalhes. O ponto F corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto é, 2,11%. É usado na distinção do aço do ferro fundido. A solubilidade do carbono na ferrita é muito pequena (máximo 0,008%) e pode ser considerada nula em muitos casos práticos. O ponto E (eutetóide) é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita, correspondendo a cerca de 0,77% C. E os aços podem ser eutetóides, hipoeutetóides ou hipereutetóides. Obs: o termo eutético se refere ao equilíbrio entre fases líquida e sólida. Neste caso, usamos o sufixo óide (= semelhante a) para indicar que o equilíbrio ocorre entre fases sólidas. Figura 02 O teor de carbono do aço afeta o seu aspecto granulométrico. Um aço com muito pouco carbono (digamos, menos de 0,01%), se resfriado lentamente, deverá apresentar uma aparência razoavelmente uniforme, pois a maior parte será representada pela ferrita. Na Figura 02 (a), um possível aspecto de uma microfotografia de um aço deste tipo. Agora supomos um aço hipoeutetóide com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical I no diagrama. Quando o resfriamento atinge a interseção com A3, começa a separação da austenita em austenita e ferrita. Logo acima da linha A1, haverá ferrita mais austenita, esta última, com o máximo teor de carbono que pode conter (0,77%). Logo abaixo da linha A1, toda a austenita deverá se transformar em ferrita mais cementita. Entretanto, desde que o processo é rápido, fisicamente a separação se dá em forma de lâminas bastante finas, somente visíveis ao microscópio com elevadas ampliações. Tal estrutura, isto é, a ferrita e a cementita em forma laminar, é chamada de perlita. Na figura 02 (b), a estrutura laminar típica da perlita, observada com elevada ampliação (as linhas escuras correspondem à cementita). Figura 03 Na figura 03 (a), o aspecto típico de um aço hipoeutetóide visto com uma ampliação menor. As áreas claras representam a ferrita e as escuras, a perlita. Entretanto, a estrutura laminar desta não pode ser observada devido à reduzida ampliação. Um aço hipereutetóide (linha II no diagrama, com cerca de 1,5% C, por exemplo) tem, na interseção com A1, austenita com o máximo teor de carbono (0,77%) e cementita. A mudança brusca abaixo de A1 faz a austenita se transformar em perlita conforme já visto. E a cementita envolve os grãos de perlita em forma de uma teia conforme Figura 03 (b), fazendo uma espécie de rede de cementita. Um aço eutetóide, isto é, com 0,77% de carbono, deve apresentar somente perlita na sua estrutura granular. O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas do aço. Quanto maior, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, uma substância bastante dura mas quebradiça. É comum o uso da expressão aço doce para aços de baixa dureza, com teores de carbono menores que 0,25%. Ferros & aços III - Efeito dos elementos de liga Efeitos do teor de carbono Conforme mencionado em página anterior, o teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas dos aços Figura 04 As curvas do gráfico da Figura 04 ao lado mostram, de forma aproximada, as variações de dureza e tensões de tração máxima e de escoamento com o teor de carbono do aço. Podemos notar que a dureza aumenta progressivamente com o teor de carbono e que as tensões de tração também aumentam nos aços hipoeutetóides, mas tendem a se estabilizar nos hipereutetóides. Na maioria dos materiais, a contrapartida para maior dureza é maior fragilidade ou menor ductilidade. E essa regra é também válida para os aços. Efeitos dos elementos de liga Quando mencionado elementos de liga, deve ficar subentendido que são outros elementos, além do ferro e do carbono, uma vez que estes são os constituintes básicos do aço. Alumínio (Al):é usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos grãos. Chumbo (Pb): não se liga ao aço mas, quando adicionado, se distribui na estrutura em forma de partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327 °C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250 °C. Cobalto (Co): aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas. Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%. Cromo (Cr): melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% Cr resiste à ação da água e de vários ácidos), aumenta a resistência à tração (em média, 80 MPa para cada 1% de cromo), melhora a facilidade de têmpera, aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste. Enxofre (S): é, na maioria dos casos, um elemento indesejável, oriundo do processo de produção. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Entretanto, se combinado com o manganês no forma do As propriedades comuns do grupo são: não magnéticos, não temperáveis, a dureza aumenta significativamente com a deformação a frio. Na tabela abaixo, alguns tipos de acordo com a classificação AISI (American Iron and Steel Institute). Cod Componentes (%) Algumas propriedades / Algumas aplicações 301 0,15 C, 16-18 Cr, 6-8 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Fácil usinagem. / Estruturas, utensílios domésticos, indústrias químicas, alimentícias. 302 0,15 C, 17-19 Cr, 8-10 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Similar ao 301. 302B 0,15 C, 17-19 Cr, 8-10 Ni, <2 Mn, 2-3 Si Maior resistência ao calor. / Partes de fornos. 303 0,15 C, 17-19 Cr, 8-10 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si, ≥ 0,07 P, ≤ 0,6 Mo Fácil usinagem. / Parafusos, porcas, eixos, flanges, buchas, válvulas. 304 <0,08 C, 18-20 Cr, 8-10,5 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Soldável com menos risco de corrosão intergranular. / Equipamentos criogênicos, indústrias de alimentos. 308 ≤ 0,08 C, 19-21 Cr, 10-12 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Maior resistência à corrosão. / Partes de fornos, eletrodos de solda. 309 ≤ 0,2 C, 22-24 Cr, 12-15 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Boa resistência térmica, mecânica e química. / Estruturas, indústrias químicas, partes de fornos, bombas. 309S ≤ 0,08 C, 22-24 Cr, 12-15 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si Soldável com menos risco de corrosão intergranular. 310 ≤ 0,25 C, 24-26 Cr, 19-22 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1,5 Si Boa resistência à oxidação em altas temperaturas. / Partes de fornos, equipamentos de indústrias químicas. 316 ≤ 0,1 C, 16-18 Cr, 10-14 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si, 2-3 Mo Maior resistência à corrosão. / Indústrias químicas, papel e celulose. 317 ≤ 0,1 C, 18-20 Cr, 11-15 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si, 3-4 Mo Maior resistência à corrosão que o 316. / Indústrias químicas, papel e celulose. 321 ≤ 0,08 C, 17-19 Cr, 9-12 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si, 5x min C de Ti Resistente à corrosão intergranular em altas temperaturas. / Uso intensivo de solda: vasos de pressão, juntas de expansão. 347 ≤ 0,08 C, 17-19 Cr, 9-12 Ni, ≤ 2 Mn, ≤ 1 Si, 10x min C de Co Similar ao 321. Aços inoxidáveis martensíticos São aços com cromo, em teores na faixa de 11 a 18%. São magnéticos e podem ser endurecidos por têmpera (a dureza pode chegar até cerca de 57 HRC). Alguns podem conter níquel, mas o teor é baixo em comparação com os austeníticos. Na tabela abaixo, alguns tipos de acordo com a classificação AISI. 403 ≤ 0,15 C, 11,5-13 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 0,5 Si Peças usinadas ou forjadas que sofrem elevados esforços (partes de compressores e turbinas, válvulas e anéis de segmento para motores, etc). 410 ≤ 0,15 C, 11,5-13,5 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 0,5 Si Peças de turbinas aeronáuticas, válvulas, eixos, parafusos, buchas, etc. 414 ≤ 0,15 C, 11,5-13,5 Cr, 1,25- 2,5 Ni, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si Peças de fornos, lâminas, facas, etc. 416 ≤ 0,15 C, 12-14 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 0,5 Si, >0,07 P, ≤ 0,6 Mo Aplicações similares às do 410, com usinagem mais fácil. 431 ≤ 0,2 C, 15-17 Cr, 1,25-2,5 Ni, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si Eixos, peças para aviões, bombas, máquinas industriais, etc. 420 >0,15 C, 12-14 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si Cutelaria, instrumentos cirúrgicos e odontológicos, molas, etc. 420F 0,3-0,4 C, 12-14 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si, > 0,07 P, ≤ 1 Mo Aplicações similares às do 420, com usinagem mais fácil. 440A 0,6-0,75 C, 16-18 Cr, ≤ 0,75 Mo, ≤ 1 Si Cutelaria, instrumentos cirúrgicos, mancais, válvulas, etc. 440B 0,75-0,95 C, 16-18 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si, ≤ 0,75 Mo Similar ao 440A. 440C 0,95-1,2 C, 16-18 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si, ≤ 0,75 Mo Aplicações similares às do 440A, que exigem durezas maiores. Aços inoxidáveis ferríticos Em relação aos martensíticos, o teor de cromo é em geral maior e o de carbono, menor. Isso faz as estruturas sempre ferríticas e, portanto, não são endurecidos por têmpera. A tabela abaixo dá informações sobre alguns tipos, conforme classificação AISI. Cod Componentes (%) Algumas propriedades e/ou aplicações 405 ≤ 0,08 C, 11,5-14,5 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si, 0,1-0,3 Al Reservatórios, caldeiras, radiadores, etc. 409 ≤ 0,15 C, 12-14 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si, 3,5-4 Al, ≤ 0,75 Ti Aplicações similares às do 405. 429 ≤ 0,12 C, 14-16 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si Resistente ao ácido nítrico, boas propriedades de soldagem. 430 ≤ 0,12 C, 16-18 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si De fácil conformação, é usado em peças decorativas, equipamentos de cozinha, etc. 430F ≤ 0,12 C, 16-18 Cr, >0,07 P, ≤ 0,6 Mo De fácil usinagem, Usado em parafusos, porcas, etc. 442 ≤ 0,2 C, 18-23 Cr, ≤ 1 Mn, ≤ 1 Si Peças que trabalham em altas temperaturas (partes de fornos, etc). 443 ≤ 0,2 C, 18-23 Cr, ≤ 0,5 Ni, ≤ 0,75 Si, 0,9-1,25 Cu Aplicações que exigem boa resistência à corrosão e a altas temperaturas. 446 ≤ 0,2 C, 23-27 Cr, ≤ 0,25 Ni, 1,5 Mn, 1 Si Do grupo, é o que apresenta melhor resistência à corrosão e a altas temperaturas. Usado em fornos, queimadores, etc. A Figura 07 dá as curvas para o mesmo aço com pequenas adições de elementos de liga (0,35% Mn; 0,13% Cr; 0,08% V). Notar o aumento considerável na profundidade de endurecimento. Algumas aplicações típicas: ferramentas manuais (martelos, formões, talhadeiras, punções, limas, tarraxas e similares), fresas e outras ferramentas para trabalhar madeiras, ferramentas diversas para trabalhos a frio. Figura 07 É possível estabelecer características de aplicações de acordo com o teor de carbono: de 0,7 a 0,9% para usos com choques; de 0,9 a 1,0% para ferramentas de deformação a frio; de 1,0 a 1,1% para uso genérico; de 1,1 a 1,4 para máxima resistência à abrasão. Algumas vantagens são: baixo custo, facilidade de usinagem e de têmpera, boa aresta de corte, boa tenacidade devido ao não endurecimento do núcleo. Algumas desvantagens: pouca estabilidade dimensional, susceptibilidade a trincas no tratamento de têmpera, não resistente a temperaturas mais altas. A tabela abaixo dá composições para alguns tipos conforme especificações AISI. Aços temperáveis em óleo A série O compreende aços com teores de carbono entre 0,90 e 1,45%, além de manganês, silício, cromo, tungstênio e molibdênio. A tabela abaixo dá a composição de alguns tipos. Tipo % C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo % W % V % Co % Cu % P % S W1 0,70/1,50 0,10/0,40 0,10/0,40 0,15 0,20 0,10 0,15 0,10 - 0,20 0,025 0,025 W2 0,85/1,50 0,10/0,40 0,10/0,40 0,15 0,20 0,10 0,15 0,15/0,35 - 0,20 0,025 0,025 W5 1,05/1,15 0,10/0,40 0,10/0,40 0,40/0,60 0,20 0,10 0,15 0,10 - 0,20 0,025 0,025 Temperaturas comuns de têmpera são 790 / 815ºC para O1, 760 / 800ºC para 02 e 855 / 885ºC para O7. É recomendável um preaquecimento (antes da formação da austenita) entre 650 e 700ºC para melhor estabilidade dimensional. Revenido na faixa de 170 a 200ºC para durezas acima de 60 HRC. Podem conter grafita na estrutura endurecida, o que atua como lubrificante e facilita usinagem posterior. Tipos com tungstênio são mais resistentes à abrasão e têm melhores propriedades de aresta, adequados para facas de corte. Aplicações típicas são parecidas com as da série W (tópico anterior), com solicitações mais severas e melhor estabilidade dimensional. Aços de média liga temperáveis ao ar Contêm proporções razoáveis de elementos de liga como Manganês, Silício, Cromo, Níquel, Molibdênio e Vanádio para melhorar endurecimento, resistência ao desgaste e tenacidade. A tabela abaixo dá alguns tipos conforme classificação AISI. As combinações dos elementos de liga dão a esses aços a possibilidade de têmpera ao ar (menor deformação, menor tendência a trincas), fazendo-os adequados para peças de geometria complexa como matrizes. O tipo A2 é o mais usual do grupo. O maior teor de cromo (também do A3 e de outros não listados na tabela) modera o amolecimento em temperaturas elevadas. Tipo % C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo % W % V % Co % Cu % P % S O1 0,90 1,00 0,25 0,50 - - 0,50 - - - - - O2 0,90 1,60 0,25 - - - - - - - - - O6 1,45 0,80 1,00 - - 0,25 - - - - - - O7 1,20 0,25 0,25 0,75 - 0,25 1,75 - - - - - Tipo % C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo % W % V % Co % Cu % P % S A2 0,95/1,05 1,00 0,50 4,75/5,50 0,30 0,90/1,40 - 0,15/0,50 - 0,25 0,03 0,03 A3 1,20/1,30 0,40/0,60 0,50 4,75/5,50 0,30 0,90/1,40 - 0,80/1,40 - 0,25 0,03 0,03 A4 0,95/1,05 1,80/2,20 0,50 0,90/2,20 0,30 0,90/1,40 - - - 0,25 0,03 0,03 A6 0,65/0,75 1,80/2,50 0,50 0,90/1,20 0,30 0,90/1,40 - - - 0,25 0,03 0,03 A10 1,25/1,50 1,60/2,10 1,00/1,50 - 1,55/2,05 1,25/1,75 - - - 0,25 0,03 0,03 Temperaturas de têmpera na faixa de 790 / 870ºC e 925 / 980ºC para os tipos com maiores teores de cromo. Revenido entre 150 e 565 ºC, dependendo da dureza desejada. Ferros & aços - Tratamentos térmicos Efeito da velocidade de resfriamento As transformações vistas no diagrama Fe-C pressupõem velocidades de resfriamento bastante baixas, de forma que todos os rearranjos atômicos possam se completar. Mudanças importantes podem acontecer se o aço, sob temperatura acima de 727 °C, for bruscamente resfriado. As transformações podem não se efetivar totalmente e outras podem ocorrer, afetando sensivelmente as propriedades mecânicas. O gráfico da Figura 01 é um exemplo aproximado para um aço eutetóide, considerado inicialmente em temperatura na região da austenita (acima de 727 °C, linha A) e posteriormente resfriado. Generalidades A têmpera, rapidamente comentada no tópico anterior, é apenas um dos possíveis tratamentos térmicos. De forma genérica, podemos dizer que os tratamentos térmicos de aços (e também de outros metais) têm o objetivo de proporcionar alterações de propriedades mecânicas, térmicas, químicas, elétricas ou magnéticas para atender os processos de fabricação ou as especificações finais do produto. Há uma variedade de tratamentos para, por exemplo, aumentar dureza e tenacidade, melhorar ductilidade e facilidade de trabalho, remover tensões residuais, refinar estrutura de grãos, aumentar resistência ao desgaste, melhorar resistência à corrosão, etc. A tabela abaixo dá um resumo dos principais tipos de tratamento para aços. Recozimentos & normalização Muitas vezes, devido ao próprio processo de produção ou a trabalhos anteriores como deformações a quente ou a frio, o aço apresenta dureza excessiva ou pouca maleabilidade e ductilidade, inadequadas para operações como usinagem, dobra e outras. Recozimento Normalização Têmpera Endurecimento superficial • recozimento completo • alívio de tensões • esferoidização • têmpera e revenido convencionais • austêmpera • martêmpera • cementação • nitretação • têmpera superficial • carbo-nitretação