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1 Materiais de Construção Mecânica Engenharia Mecânica – UDF Aula – AÇOS: TIPOS E APLICAÇÕES TIPOS&DE&AÇO Basicamente,&os&aços7carbono&podem&ser&divididos&nos&seguintes&tipos: • Aços¶&fundiçãoC • Aços&estruturaisC • Aços¶&chapasC& • Aços¶&tubosC& • Aços¶&arames,&fios&e&molasC • Aços&de&usinagem&fácilC • Aços¶&cementação&e&nitretaçãoC • Aços¶&fins&especiais. • Aços&criogênicos&e&Aços&ligados 2 AÇOS%PARA%FUNDIÇÃO São aços recomendados para fundição de peças empregadas em máquinas operatrizes, indústria automobilística, ferroviária, naval, implementos agrícolas, tratores, equipamento pra escavação e construção, equipamento elétrico, na indústria química, em equipamento pra refino de petróleo, para indústria de papel e muitas outras aplicações. 3 QUANTO AS PROPRIEDADES • Boa resistência, ductilidade e tenacidade • Boa usinabilidade • Adequada soldabilidade • Boa fluidez • A maioria é susceptível à têmpera e revenido QUANTO'OS'TIPOS • Aços%baixo,%médio%e%alto%carbono • Aços4liga%de%baixo%e%alto%teor%de%liga 4 AÇOS%ESTRUTURAIS São aços empregados principalmente em construção civil, mas também podem ser empregados em equipamento de transporte: • veículos em geral, • equipamentos rodoviários, • ferroviário, • naval, etc. 5 QUANTO'AO'TIPO • Aços%ao%carbono%(laminados%à%quente) • Aços%com%baixo%teor%de%elemento%de%liga%e%alta%resistência% (estruturas%de%carros%e%ônibus,%pontes%edifícios) 6 QUANTOAS PROPRIEDADES Boa ductilidade para ser conformado Boa soldabilidade Elevado valor de relação de resistência à tração para limite de escoamento Baixo custo Homogeneidade AÇOS%PARA%CHAPAS%E%TUBOS A expressão “chapas” compreende uma série de produtos, todos importantes na indústria. 7 Os tubos de aço tem uma importância muito grande na indústria e na construção por possuírem um grande campo de aplicações: condução de água, líquidos, ar comprimido, indústria química e petrolífera, indústria mecânica, estruturas, eletrodutos e outros inúmeros empregos. QUANTO AS PROPRIEDADES Excelente deformabilidade Boa soldabilidade Boa ductilidade Baixo custo Dependendo do tipo de aplicação, alta resistência à corrosão e de fácil revestimento Superfície sem defeitos QUANTO AO TIPO O tipo mais comum aços ao carbono comuns ou doce 8 AÇOS%PARA%ARAMES,%FIOS%E%MOLAS Os arames são produtos com as mais variadas aplicações, desde as mais simples, como para cercas ou fabricação de pregos, até as mais criticas, para molas, para cabos de elevadores, de guindastes, de pontes rolantes, de pontes pênseis e os chamados “fios de música” ou “cordas de piano”, os quais, devido à composição química, controle de fabricação e tratamento térmico especial (“patenteamento”) são considerados entre os mais sofisticados produtos de aço. 9 As molas são materiais que devem apresentar as seguintes propriedades: • Altos valores para os limites de elasticidade sob tensão; • Elevada resistência ao choque, principalmente no caso de serviço mais pesado em veículos em geral; • Alto limite de fadiga. 10 QUANTO'AS'PROPRIEDADES • Excelente(resistência(à(tração((depende(da(aplicação) • Boa(ductilidade(para(ser(conformado 11 • Elevado limite de elasticidade • Elevada resistência à fadiga • Elevada resistência ao choque QUANTO AO TIPO Aço baixo Carbono Aço médio Carbono Aço alto Carbono (0,8-0,95% de C) AÇOS%DE%USINAGEM%FÁCIL São aços que apresentam elevada usinabilidade, com alto teor de enxofre, fósforo e manganês. Adição de metais moles como o Chumbo e Bismuto facilitam a usinagem (série especial). A importância desses aços reside no fato de que a indústrias modernas emprega cada vez mais processos de produção em massa, os quais exigem máquinas automáticas que possibilitem a produção de elevado numero de peças em tempo relativamente curto. 12 QUANTO'AS'PROPRIEDADES • Elevada'usinabilidade 13 QUANTO AO TIPO Aços com alto teor de enxofre, fósforo e manganês Adição de metais moles como o Chumbo e Bismuto facilitam a usinagem (série especial). AÇOS%PARA%CEMENTAÇÃO%E%NITRETAÇÃO São aços que apresentam um maior teor de elementos de liga para aumentar a resistência mecânica e ter uma camada superficial dura e resistente ao desgaste, de modo que as aplicações são muito amplas: pinos, pequenas engrenagens, alavancas, fusos, roletes, eixos de comando de válvulas e outros tipos de mecanismos sujeitos a desgaste superficial. 14 AÇOS%PARA%FINS%ESPECIAIS Os mais famosos aços resistentes ao desgaste são os denominados “HadField” do tipo “manganês austenítico”. São aços resistentes ao desgaste Metal X Metal, é muito utilizado em componentes fundidos para aplicações severas de desgaste metal X metal, como por exemplo na Indústria Ferroviária, construção, mineração, Dragagem, Fabricação de Cimento e Produtos cerâmicos, além de indústrias de Perfuração de poços de Petróleo. 15 AÇOS%CRIOGÊNICOS São utilizados principalmente na construção de tanques de armazenamento de gases em baixa temperatura ou em alta pressão, além de usos em algumas câmaras frigoríficas; instrumentos para laboratórios de pesquisas biológicas que utilizam temperaturas baixas, para laboratórios de fertilização artificial, armazenamento de embriões congelados, entre outros usos na área médica e biológica. 16 AÇOS%LIGADOS Estes aços são fabricados quase exclusivamente em forno Martin e elétrico por processos análogos aos dos aços não ligados, sendo o elemento de liga adicionado no final da operação. O uso de aços ligados visa a melhoria das propriedades dos materiais, sobretudo as características mecânicas. 17 18 COMPORTAMENTO*DOS*AÇOS 19 !+Fe3C !+l l+Fe3C !+Fe3C CCC CFC CCC !+ " #+l As#fases#!,#" e## são#soluções#sólidas# com#Carbono#intersticial MAGNÉTICO AÇOS CEMENTITA((FE3C) • Forma&se)quando)o)limite)de)solubilidade)do)carbono)é)ultrapassado) (6,7%)de)C) • É)dura)e)frágil • é)um)composto)intermetálico)metaestável,)embora)a)velocidade)de) decomposição)em)ferro)! e)C seja)muito)lenta • A)adição)de)Si)acelera)a)decomposição)da)cementita)para)formar) grafita 20 21 CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS QUANTO ! Composição química ! Estrutura ! Propriedades ou Aplicação CLASSIFICAÇÃO*DOS*AÇOS QUANTO'A'COMPOSIÇÃO • Aço$Carbono*! $ sem*elemento*de*liga (elementos*residuais:**Si,*Mn,*P,*S) Alto,*baixo*e*médio*teor*de*carbono • Aço$Liga********baixa*liga*(máximo*3$3,5%)* média*liga alta*liga*(teor*total*mínimo*de*10$12%) 22 AÇO$LIGA(OU(AÇOS(LIGADOS 23 24 FORMA&COMO&SE&ECONTRAM& OS&ELEMENTOS&DE&LIGA DISSOLVIDOS&NA& MATRIZ FORMANDO& CARBONETOS FORMANDO& COMPOSTOS& INTERMETÁLICOS Fonte: Prof. Arlindo Silva - IST ! A&presença&de& elementos&de&liga& muda&as&linhas&do& diagrama&de&fase& FeFC AÇO$LIGA(OU(AÇOS(LIGADOS ! É o aço com adição de elementos químicos acima da quantidade de carbono encontrado no aço4carbono comum com o objetivo de melhoraras propriedades física, química ou físico4química como a resistência à abrasão, à corrosão, ao choque entre outros. ELEMENTOSEDEELIGAEMAISECOMUNS • Cr • Ni • V • Mo • W • Co • B • Cu • Mn,-Si,-P,-S (residuais) 25 EFEITO&DOS&ELEMENTOS&DE&LIGA • Aumentam(a(dureza(e(a(resistência( • Conferem(propriedades(especiais(como: • Resistência(à(corrosão • Estabilidade(à(baixas(e(altas(temperaturas • Controlam(o(tamanho(de(grão • Melhoram(a(conformabilidade • Melhoram(as(propriedades(elétricas(e(magnéticas • Diminuem(o(peso((relativo(à(resistência(específica) • Deslocam(as(curvas(TTT(para(a(direita 26 EQUILÍBRIO*DE*FASES • Limite&de&solubilidade&! Quantidade&que&conseguimos&solubilizar&dependendo& da&temperatura&e&quantidade&de&soluto/solvente 27 • Fases • Diagrama de fases é o conceito de fases que é uma porção homogênea de um sistema que possui características físicas e químicas uniformes. • Cada fase possui propriedades diferentes • Quando duas ou mais fases estão presentes em um sistema cada uma terá sua propriedade química EQUILÍBRIO*DE*FASES • Equilíbrio*de*fases*!relação*com*a*energia*livre*que*é*uma*função*da*entropia.* Esse*equilíbrio*é*importante*para*que*tenhamos*as*interações*de*formação*das* substâncias.**Tem*relação*direta*com*as*grandezas*termodinâmicas • Ex:*Solução*a*20*graus*da*mistura*do*xarope*que*enconsta*no*acúcar.*Qual*seria* a*composição? 28 EQUILÍBRIO*DE*FASES • Equilíbrio*de*fases*para*materiais*sólidos • Energia*livre*e*diagrama*de*fase*indicam*informações*sobre*as*características*de*equilíbrio* mas*não*indica*o*intervalo*de*tempo*para*que*atinja*o*equilíbrio • Este*é*um*sistema*específico*para*materiais*sólidos*! O*estado*de*equilíbrio*nunca*é* completamente*atingido,*pois*a*taxa*para*atingir*o*equilíbrio*é*muito*lenta*nomeado*de* estado*de*não*equilíbrio*ou*METAESTÁVEL • Vantagem*! O*estado*metaestável*é*impotante*para*a*obtenção*da*resistência*de*alguns* aços*e*ligas*de*alunmínio*que*dependem*do*desenvolvimento*de*microestruturas* metaestáveisdurante*o*tratamento*térmico 29 EQUILÍBRIO*DE*FASES 30 • Diagrama de fases! Condição de equilíbrio • Diagrama de fases/ diagrama de equilíbrio ou diagrama constitucional • Aquecimento ! Pode envolver transição de fases ou o aparecimento ou desaparecimento de uma fase. • Liga binária ! Possui duas substancias envolvidas, isto é, dois componentes envolvidos • Influencia as fases! Temperatura, pressão e mistura EQUILÍBRIO*DE*FASES 31 • Sistema isomorfo binário • Possui dois componentes • Fases existentes – alfa! mistura de átomos no estado sólido L! Estado líquido alfa + L!é um campo bifásico • Fase alfa possui uma solução sólida substitutiva e CFC • Fase L possui solução homogênea EQUILÍBRIO*DE*FASES 32 • Interpretação dos diagramas de fases • Onde está o cobre puro? • Onde está o níquel puro? • Se tivermos 40 % de cobre qual a temperatura em que o material inicia a mudança de fase? E qual a temperatura em que temos a mudança total em líquido? • Como calcular a porcentagem no estado de mistura de alfa + L? EQUILÍBRIO*DE*FASES 33 • Regra da alavanca • A linha de amarração é constituída através da região bifásica na temperatura da liga • A composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração • A fração de uma fase é calculada tornando-se o comprimento da linha de amarração desde a composição global da liga até a fronteira entre as fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração • A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante • Se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração de cada fase é multiplicada por 100. quando o eixo da composição tem sua escala dividida em termos da porcentagem em peso, as frações das fases calculadas usando-se regra da alavanca são dadas em frações de cada fase e a massa total da liga. EQUILÍBRIO*DE*FASES 34 • Regra da alavanca • Exemplo: considere a composição de 35 % de Ni – 65 % de Cu! Ponto B. Qual seria a fração alfa e a líquida? • WL! Fração mássica da fase L • WL = S/(R+S) ou WL = (Cɑ - C0)/(Cɑ - CL)! O calculo tem que ser em relação apenas a um componente • Wɑ! Fração mássica da fase alfa • Wɑ = R/(R+S) = (Cɑ - C0)/(Cɑ - CL) • Então: EQUILÍBRIO*DE*FASES 35 • Para líquidos multifásicos • Temos duas substâncias, uma alfa e outra beta • Nesse caso as relações são entre as substâncias • Então: EQUILÍBRIO*DE*FASES 36 • Assim conseguimos observar a transição do material quanto a temperatura para material em equilíbrio EQUILÍBRIO*DE*FASES 37 • Assim conseguimos observar a transição do material quanto a temperatura para material fora do equilíbrio • Ponto a’! Totalmente líquido • Ponto b’! Formação de sólidos e líquidos • Ponto c’! Observe a 42 %, de acordo com a regra da alavanca temos uma fração de líquido maior • Ponto d’! Nesse ponto temos as formações dos cristais sólidos que dará continuidade na formação final do sólido • Ponto e’ ! Temos a formação do sólido sem mudanças • Ponto l’! Observamos a formação final do sólido que sem mudanças REAÇÕES'NO'ESTADO'SÓLIDO 38 • A maioria das transformações no sólido são dependentes do tempo devido a obstáculos no curso da reação • Segundo impedimento a formação de uma nova fase consiste no aumento em energia com o contorno entre fases ! O primeiro processo para a formação de fase é a nucleação • Segunda fase é o crescimento dos grãos até o equilíbrio seja atingido • Cinética de uma reação! É uma consideração importante para o tratamento térmico • Para transformação em estado solido é dado pela equação do estado sólido • y = 1 – exp(-ktn)! Equação de Avrami • k e n são constantes que independem do tempo para a reação especifica • r = 1/t0,5 • r!taxa de transformação; t0,5! Tempo para que ocorra a metade da conclusão • r = Ae-Q/RT • R = constante dos gases; T = temperatura; A constante independente da temperatura; Q energia de ativação específica para a reação em questão REAÇÕES'NO'ESTADO'SÓLIDO 39 • O equilíbrio verdadeiro de uma estrutura raramente são atingidas • Equilíbrio por resfriamento ocorre de forma lenta e o deslocamento ocorre a temperatura abaixo do apresentado no diagrama de fases • Equilíbrio por aquecimento ocorre a temperaturas mais elevadas • Esses equilíbrios são conhecidos por super-resfriamento e sobreaquecimento REAÇÕES'NO'ESTADO'SÓLIDO 40 • O equilíbrio verdadeiro de uma estrutura raramente são atingidas • Equilíbrio por resfriamento ocorre de forma lenta e o deslocamento ocorre a temperatura abaixo do apresentado no diagrama de fases • Equilíbrio por aquecimento ocorre a temperaturas mais elevadas • Esses equilíbrios são conhecidos por super-resfriamento e sobreaquecimento 41 CURVAS TTT cada aço tem sua curva característica início final 42 CURVAS TTT Temperatura de austenitização ! "+Fe3C # Perlita -Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta). Martensita PROPRIEDADES)MECÂNICA • Ligas&isomorfas • Sólidas&são&afetadas&pela&composição&enquanto&a&estrutura&do&grão&é&mantida& constante • Composição&abaixo&da&temperatura&de&fusão&mais&baixa&existe&apenas&a&fase& sólida • Cada&componente&experimentará&um&aumento&de&resistência&por&formação&de& solução&sólida • Adição&de&outros&elementos&varia&as&resistências&mecânicas&dos&sólidos& 43 PROPRIEDADES)MECÂNICA • Ligas&isomorfas • Sólidas&são&afetadas&pela&composição&enquanto&a&estrutura&do&grão&é&mantida& constante • Composição&abaixo&da&temperatura&de&fusão&mais&baixa&existe&apenas&a&fase& sólida • Cada&componente&experimentará&um&aumento&de&resistência&por&formação&de& solução&sólida • Adição&de&outros&elementos&varia&as&resistências&mecânicas&dos&sólidos& • Tração,&compressão,&ductibilidade,&tenacidade,&dentre&outros& PROPRIEDADES)MECÂNICA SISTEMA'EUTÉTICO'BINÁRIO • Diagrama'de'fase'eutético'binário • Encontramos'três'regiões'monofásicas • Fase'alfa,'beta'e'liquida • Fases'intermediárias'que'são'misturas'de'elementos'em'sua'composição 46 SISTEMA'EUTÉTICO'BINÁRIO • Diagrama'de'fase'eutético'binário 47 - Nessa linha ABC temos a fase alfa ! Cobre puro CFC - Solubilidade sólida está abaixo da temperatura de 779 ºC tanto pro Cu quanto Ag - BGE! Limite de solubilidade sólida - Abaixo desta linha é chamada de solvus - Fase ɑ (Ag no Cu) e fase ß (Cu no Ag) e transição alfa beta - Acima da linha é o ponto solidus SISTEMA'EUTÉTICO'BINÁRIO • Diagrama'de'fase'eutético'binário 48 - Existe três regiões bifásicas - ɑ + ß; ɑ + L; ß + L - A composição pode ser analisada utilizando a linha de amarração e a regra da alavanca - Linha liquidus! Toda a mistura está no estado líquido - AE ! Adição de prata diminui a temperatura para transformar em líquido - EF ! Adição de cobre diminui a temperatura para transformar em líquido SISTEMA'EUTÉTICO'BINÁRIO • Diagrama'de'fase'eutético'binário 49 - Existe três regiões bifásicas - ɑ + ß; ɑ + L; ß + L - A composição pode ser analisada utilizando a linha de amarração e a regra da alavanca -Linha liquidus! Toda a mistura está no estado líquido - AE ! Adição de prata diminui a temperatura para transformar em líquido - EF ! Adição de cobre diminui a temperatura para transformar em líquido MANGANÊS'(residual) • Agente&dessulfurante&e&desoxidante • Aumenta&a&dureza&e&a&resistência&(%Mn>1%) • Baixa&a&temperatura&de&transformação&da&martensita& • Entre 11@14% Mn alcança@se alta dureza, alta ductilidade e excelente resistência ao desgaste (aplicações em ferramentas resistentes ao desgaste) 50 ENXOFRE'(residual) •Agente&fragilizador •Se&combinado&com&Mn&forma&MnS&que&pode&ser& benéfico&(melhora&a&usinabilidade) •Está&presente&em&altos&teores&em&aços¶& usinagem&fácil 51 NÍQUEL • Aumenta(a(resistência(ao(impacto (225%(Ni) • Aumenta(consideravelmente(a(resistência(à(corrosão(em(aços( baixo(carbono((12220%(Ni) • Com(36%(de(Ni((INVAR)(tem2se(coeficiente(de(expansão( térmica(próximo(de(zero. 52 Usado como sensores em aparelhos de precisão CROMO • Aumenta a resistência à corrosão e ao calor • Aumenta a resistência ao desgaste (devido à formação de carbetos de cromo) • Em aços baixa liga aumenta a resistência e a dureza • É normalmente adicionado com Ni (1:2) 53 MOLIBIDÊNIO • Em#teores#<#0,3%#aumenta#a#dureza#e#a#resistência,#especialmente# sob#condições#dinâmica#e#a#altas#temperaturas • Atua#como#refinador#de#grão • Melhora#a#resistência#`a#corrosão • Forma#partículas#resistentes#à#abrasão • Contrabalança#a#tendência#à#fragilidade#de#revenido 54 VANÁDIO • Forma&carbetos&que&são&estáveis&a&altas&temperaturas • Inibe&o&crescimento&de&grão&(0,03<0,25%)&e&melhora&todas&as& propriedades&de&resistência&sem&afetar&a&ductilidade 55 TUNGSTÊNIO • Mantém'a'dureza'a'altas'temperaturas • Forma'partículas'duras'e'resistentes'ao'desgaste'à'altas'temperaturas Presente'em'aços'para'ferramentas 56 SILÍCIO'(residual) • Tem$efeito$similar$ao$Níquel • Melhora$as$$propriedades$de$resistência$com$ pouca$perda$de$ductilidade • Melhora$a$resistência$`a$oxidação • Com$2%$de$Si$é$usado$para$a$confecção$de$molas • Aumenta$o$tamanho$de$grão$(necessário$para$ aplicações$magnéticas) • Agente$desoxidante 57 BORO • É"um"agente"endurecedor"poderoso"(0,00140,003%) • Facilita"a"conformação"à"frio • Tem"efeito"2504750"vezes"ao"efeito"do"Ni 100"vezes"ao"Cr 754125"vezes"ao"Mo Aços"microligados 58 ALUMÍNIO • Facilita'a'nitretação • Agente'desoxidante' • Controla'o'tamanho'de'grão'pela'formação'de'óxidos'ou'nitretos 59 COBALTO • Melhora(a(dureza(à(quente • É(usado(em(aços(magnéticos 60 FÓSFORO&(Residual) • Aumenta(a(resistência(dos(aços(baixo(carbono • Aumenta(a(resistência(à(corrosão • Facilita(a(usinagem • Gera(fragilidade(à(frio((0,04>0,025%(no(máximo) 61 TITÂNIO • Reduz&a&dureza&martensítica&e&a&endurecibilidade&de&aços&ao&cromo • Impede&a&formação&da&austenita&em&aços&ao&cromo 62 CLASSIFICAÇÃO*DOS*AÇOS QUANTO'A'ESTRUTURA • Perlíticos • Martensíticos • Austeníticos • Ferríticos • Carbídicos 63 64 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA !+Fe3C !+l l+Fe3C "+Fe3C CCC CFC CCC "+ ! #+l As#fases#",#! e## são#soluções#sólidas# com#Carbono#intersticial 65 DIAGRAMA DE FASE Fe-Fe3C TRANSFORMAÇÔES !+l l+Fe3C "+l PERITÉTICA "+l# ! EUTÉTICA l# !+Fe3C EUTETÓIDE ! #$+Fe3C AÇO FOFO AÇOS%PERLÍTICOS • Aços%com%no%máximo%5%%de%elementos%de%liga • As%propriedades%mecânicas%podem%ser%melhoradas%por%tratamento% térmico • Aços%de%boa%usinabilidade 66 A"PERLITA • Constituída+de+duas+ fases+(Ferrita+e+ Cementita)+na+forma+ de+lamelas • A+ferrita+é+mole+e+ cementita+é+ extremamente+dura • A+dureza+depende+da+ espessura+das+lamelas 67 AÇOS%MARTENSÍTICOS • Aços%com%mais%de%5%%de%elementos%de%liga • Apresentam%alta%dureza • Aços%de%baixa%usinabilidade 68 A"FASE"MARTENSITA 69 Estrutura Tetragonal Dura Frágil AÇOS%AUSTENÍTICOS • Tem$estrutura$austenítica$a$temperatura$ambiente,$devido$aos$ elevados$teores$de$elementos$de$liga$(Ni,$Mn,$Co) • Exemplo: inoxidáveis,$não$magnéticos$e$resistentes$ao$calor 70 A"FASE"AUSTENITA •Estrutura'CFC •Dúctil •Não'magnética 71 AÇOS%FERRÍTICOS • Tem$baixo$teor$de$Carbono • Tem$elevados$teores$de$elementos$de$liga$(Cr,$W,$Si) • Não$reagem$à$têmpera • Apresentam$estrutura$ferrítica$no$estado$recozido 72 A"FERRITA •Estrutura'CCC •É'mole •É'magnética 73 AÇOS%CARBÍDICOS • Apresentam*alto*teor*de*Carbono*e*elementos* formadores*de*carbonetos*(Cr,*W,*Mn,*Ti,*Nb,*Zr) • A*estrutura*consiste*de*carbonetos*dispersos*na* matriz*sorbítica,*austenítica*ou*martensítica,* dependendo*da*composição*química • São*usados*para*ferramentas*de*corte*e*para* matrizes 74 CARBONETOS*PRECIPITADOS 75 sorbita esferoidita 76