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CIÊNCIAS DOS MATERIAISCIÊNCIAS DOS MATERIAIS OS DIAGRAMAS DE FASESOS DIAGRAMAS DE FASES Autor: Dr. Gabriel Alves Gomes Revisor : Luc iano Gald ino I N I C I A R introdução Introdução O objetivo desta unidade está em estudarmos os princípios das análises dos diagramas de fase de engenharia, apresentando as regras da interpretação dos diagramas e os conceitos de fases e reações de fases. Classi�caremos os diagramas de acordo com as estruturas dos constituintes, apresentando os princípios das formações das ligas metálicas. O sistema ferro-carbono será estudado a partir do desenvolvimento das microestruturas das ligas ferrosas, buscando identi�car os microconstituintes e esclarecendo a in�uência dos elementos de liga na interpretação do diagrama ferro-carbono. Avaliaremos, ainda, a in�uência dos microconstituintes nas propriedades mecânicas, analisando a fragilidade e dureza do material a partir da sua estrutura. Por �m, identi�caremos as características dos aços-carbono, dos aços de liga e inoxidáveis, além dos ferros fundidos. Serão abordados os conceitos físicos das ligas metálicas de cobre, alumínio, zinco, níquel e chumbo, buscando exemplos de aplicações destes materiais nos casos concretos. Se pudermos interpretar qualitativamente, um diagrama de fases é o “mapa conceitual” dos microconstituintes de um material, sendo capaz de fornecer informações sobre a cristalização e as temperaturas de fusão para cada composição de liga. A correta interpretação dos diagramas de fases para as ligas e os sistemas de ligas estabelece a correlação entre a microestrutura do material e as propriedades mecânicas. Nesse aspecto, os componentes serão os metais ou compostos que compõem uma liga, enquanto fase estará relacionado a uma região homogênea do sistema que possui características físicas e químicas uniformes. Embora fases possam ser formadas por composições químicas diferentes, também podem se apresentar para materiais quimicamente idênticos, porém com propriedades físicas distintas. Água e gelo, por exemplo, são substâncias formadas a partir da junção de moléculas de H2O, quimicamente iguais, porém quando juntos em um recipiente, duas fases separadas (sólido e líquido) coexistem para uma mesma temperatura. A partir daqui, analisaremos as características gerais dos sistemas compostos por duas ou mais fases, chamados de heterogêneos. Para os metais e cerâmicos, esses sistemas de misturas são particularmente interessantes em Análise dos Diagramas de FaseAnálise dos Diagramas de Fase virtude dos estudos das fases presentes em um material, e como estas se relacionam com a performance aplicada ao composto. Diagramas de Equilíbrio O primeiro exemplo de diagrama que relaciona as propriedades das substâncias envolvidas é o de um sistema com apenas um componente, onde a composição é mantida constante. Ilustramos esse tipo de diagrama de um componente onde a pressão é uma função da temperatura, também chamado de diagrama P-T devido às grandezas envolvidas. No grá�co da Figura 4.1, temos o diagrama de fases da água (H2O), onde as regiões para as fases sólida, líquida e gasosa estão discriminadas em regiões do grá�co. As três curvas que vemos no grá�co representam as fronteiras entre as fases, ou seja, a região limite em que, para um determinado valor de pressão, duas fases em ambos os lados da curva coexistem (existem em equilíbrio). Podemos identi�car, portanto, que ao cruzar uma fronteira, a substância muda de fase, como no exemplo do aquecimento a pressão de 1 atm. Nessa pressão, a fase de gelo sólido tende a se transformar na fase de água líquida - processo que chamamos de fusão - no ponto correspondente à Figura 4.1 - Diagrama de equilíbrio da água. Fonte: Elaborado pelo autor. interseção da linha tracejada vertical com o eixo horizontal, efetivamente a temperatura de 0°C.Ainda nessa pressão, a fase líquida se transforma em vapor d’água na temperatura de 100°C. Perceba que as transformações inversas (lendo o grá�co agora da direita para a esquerda), como a solidi�cação e condensação, ocorre no mesmo pontos durante o resfriamento para as mesmas temperaturas. Repare que todas as curvas se encontram em um ponto comum, correspondente à pressão de 0,06 atm e temperatura de 0,01°C (273,16 K), chamado de ponto triplo. Neste ponto, todas as três fases encontram-se em equilíbrio entre si, coexistindo em três estados físicos: no caso da água, o gelo, líquido e vapor. Esse ponto é invariante, já que sua posição é bem de�nida no diagrama de fases da substância, em termos de sua pressão e temperatura. Acima de um valor de temperatura e presssão onde vapor e água podem coexistir, existe o chamado ponto crítico líquido-vapor, que designa a não existência de limites de fase entre as fases. Como os materiais da engenharia práticos normalmente não são puros, sempre havendo um percentual de impurezas ou outras fases sólidas, a seguir discutiremos os diagramas de fases em um sentido mais geral, para o caso de mais de um componente. Diagramas de Fase Binários Quando lidamos com uma substância que possui uma composição mista, como os sistemas de ligas que veremos adiante, temos que representar o composto resultante em termos da solubilidade de suas partes integrantes. Segundo Shackelford (2008), o tipo mais simples de diagrama binário é aquele onde ambos os componentes exibem solução sólida completa entre si nos estados sólido e líquido, chamado de sistema isomorfo. Uma referência desse tipo de sistema com solução sólida completa é a liga de cobre-níquel (Cu-Ni), representada na Figura 4.2. Neste grá�co, a temperatura é representada na ordenada e na abscissa temos a composição da liga, em porcentagem em peso, entre 0 e 100% de níquel (correspondentes, respectivamente, a 100 e 0% de cobre). Três regiões de fases diferentes aparecem representadas no diagrama, com composições delimitadas pelas curvas de fronteira entre as fases: o campo inferior mostra uma solução sólida (SS), normalmente representada por uma letra grega, um campo líquido (L) e uma região bifásica intermediária (L+SS). Enquanto o líquido é uma solução homogênea contendo níquel e cobre, a fase sólida contém átomos de Cu e Ni em quantidades diferentes, porém ambos com a mesma estrutura cristalina CFC. Em temperaturas próximas a 1080°C, o cobre e o níquel são mutuamente solúveis entre si no estado sólido para todas as composições. Devido a isso, as duas extremidades de composição permitem a delimitação das regiões sólida (linha solidus), líquida (linha liquidus) e da região intermediária SS+L (entre as linhas solidus e liquidus). Esses pontos correspondem às temperaturas de fusão dos componentes puros, respectivamente 1085°C para o cobre puro (esquerda do grá�co) e 1455°C para o níquel puro (direita do grá�co). Repare que para qualquer composição distinta daquela dos componentes puros, haverá uma coexistência das fases sólida e líquida, onde a fusão dos compostos ocorrerá ao longo de uma faixa de temperaturas entre as linhas solidus e liquidus. Veremos a seguir como podemos determinar as composições Figura 4.2 - Diagrama binário da liga cobre-níquel. Fonte: Elaborado pelo autor. das fases de uma liga para concentrações intermediárias de uma maneira simples e usual, usando a regra da alavanca. Interpretação dos Diagramas de Fases Algumas informações importantes de uma liga podem ser extraídas da simples análise de um diagrama binário com composição e temperaturas conhecidas. Uma das informações úteis é o estabelecimento das fases presentes, que pode ser feito localizando o ponto de temperatura e composição no diagrama, observando as fases correspondentes ao ponto identi�cado. Determinação das Composições das Fases Tomando como exemplo o diagrama Cu-Ni da Figura 4.3, podemos observar que para uma liga com 60% de níquel e 40% de cobre, em peso (60%p.Ni- 40%p.Cu) a 1100°C, está relacionada a fase sólida, já que se encontra na região de solução sólida (ponto A). Contudo, para uma liga 35%p.Ni-65%p.Cu a 1250°C, a análise recai em outraregião (ponto B), que contém tanto a fase sólida quanto a líquida. É usual utilizarmos uma estratégia para a determinação das composições de fases, tanto em regiões monofásicas quanto em regiões bifásicas. Se após a Figura 4.3 - Diagrama de fases Cu-Ni, mostrando as linhas liquidus e solidus. Fonte: Elaborado pelo autor. localização do ponto temperatura composição, apenas uma fase estiver presente, a solução é obtida diretamente: a composição dessa fase será a mesma que a composição global da liga, como o ponto A do exemplo anterior. Neste ponto, a solução é completamente sólida, possuindo composição de 60%p.Ni-40%p.Cu. Determinação das Quantidades de Fases Contudo, se a liga analisada possuir o ponto de composição e temperatura localizado na região bifásica, logo não há uma homogeneidade de composição na mesma fase. Dessa forma, para calcular as concentrações de equilíbrio das duas fases, precisamos primeiramente desenhar uma linha isotérmica (na temperatura que se deseja analisar), que se estenderá pela região bifásica e terá como extremidades as curvas de fronteira entre as fases. A partir dessas interseções, são traçadas linhas perpendiculares à isoterma até o eixo das composições da liga, onde são lidas as concentrações das fases líquida e sólida associadas respectivamente às linhas solidus e liquidus do diagrama, como ilustra a Figura 4.4. Se considerarmos novamente a liga de composição C dada por 35%p.Ni- 65%p.Cu a 1250°C, referente ao ponto B do nosso grá�co, teremos que a linha Figura 4.4 - Um recorte do diagrama de fases Cu-Ni, onde as composições e quantidades de fases estão determinadas para o ponto B. Fonte: Elaborado pelo autor. perpendicular traçada a partir da interseção da isoterma com a fronteira liquidus encontra o eixo de composições em 31,5%p.Ni-68,5%p.Cu, sendo o ponto C_L correspondente à composição da fase líquida. Da mesma forma, o encontro da isoterma com a fronteira solidus nos dá uma composição da fase de solução sólida C_S igual a 42,5%p.Ni-57,5%p.Cu. Podemos também calcular o percentual de fase em uma região bifásica a partir de uma relação que considere as quantidades das fases relativas às fronteiras das duas regiões (interseção com as linhas liquidus e solidus) e a composição geral da liga para a temperatura considerada no traçado da linha isotérmica correspondente. Esse procedimento é comumente chamado de regra da alavanca, e auxilia no cálculo direto das composições de fases em uma liga bifásica. O procedimento é idêntico ao que �zemos anteriormente, com uma relação matemática que descreva as frações de cada uma das fases sólida e líquida. Assim, sabendo que a composição geral da liga pode se manter constante em uma faixa de temperaturas da região bifásica, escrevemos as equações gerais para as frações mássicas da fase líquida ( ) e sólida ( ): e (1) De acordo com Callister (2018), o procedimento da regra da alavanca é usual sempre que se deseja determinar as quantidades ou frações relativas das fases em qualquer região bifásica, desde que a temperatura e a composição forem conhecidas e exista um equilíbrio de composições. mL mS =mL − CCS −CS CL =mS C − CL −CS CL No exemplo da liga 35%p.Ni-65%p.Cu, temos: , e . Assim, a fração mássica da fase líquida nos dá: Da mesma forma, para a fase de solução sólida, temos: ou seja, aproximadamente 32% de fase de solução sólida. O uso da regra da alavanca con�gura um dispositivo prático quando muitas regiões binárias tem de ser analisadas, já que por meio de uma leitura direta de três dados principais, se extraem as informações das frações mássicas das fases presentes. praticar Vamos Praticar eflitaRe�ita cálculos também podem ser feitos com as composições expressas em porcentagem peso de cobre em vez do níquel, obtendo resultados idênticos aos realizados com a mposição de níquel. Faça o teste! nte: Elaborado pelo autor. C = 35 = 42,5CS = 31,5CL = = 0,68mL 42,5 − 35 42,5 − 31,5 = = 0,32mS 35 − 31,5 42,5 − 31,5 Um diagrama de fases mostra as fases e as composições em qualquer combinação de temperatura e composição de liga dentro dos limites do diagrama. Quando somente dois elementos ou dois compostos estão presentes em um material, pode ser construído um diagrama de fases binário, muito usado em práticas de engenharia. ASKELAND, Donald R. Ciência e Engenharia de Materiais. 3 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014. Sobre as análises de diagramas de fase, são feitas as seguintes associações: i. O ponto triplo, corresponde à posição de pressão e temperatura onde a substância possui a mesma fase. ii. No diagrama binário, existem fronteiras que delimitam as fases líquida e sólida, chamadas respectivamente de liquidus e solidus. iii. A concentração de uma determinada fase, pode ser encontrada pela interceptação da isoterma com a fronteira desta fase. Está correto o que se a�rma em: a) I e II, apenas. b) I e III, apenas. c) II e III, apenas. d) I, II e III, apenas. e) Todas as afirmativas estão incorretas. Um outro tipo comum de diagrama de fases para ligas binárias é o diagrama eutético binário, representado pela Figura 4.5 para a liga cobre-prata (Cu-Ag). Neste diagrama, podemos observar três regiões monofásicas de interesse: uma região alfa (𝛼), fase sólida rica em cobre de estrutura CFC, uma região beta (𝛽), também sólida e rica em prata de estrutura CFC, além de uma região de fase líquida. Diagramas Binários EutéticosDiagramas Binários Eutéticos Nesses casos, a solubilidade de cada um dos elementos da liga é limitada, existindo um limite de solubilidade determinado pelas linhas fronteiriças chamadas de solvus e solidus, entre as regiões de fase 𝛼/(𝛼+𝛽) e 𝛼/(𝛼+L), conforme indicado. Nas temperaturas abaixo de 779°C, a linha solvus representa o limite de solubilidade da prata no cobre, assim como ocorre no outro extremo do diagrama entre as fases 𝛽 e (𝛼+𝛽). A linha solidus, portanto, designa a fronteira entre o campo totalmente sólido (𝛼 ou 𝛽) e a mistura de fases sólido- líquido. A linha liquidus representada no grá�co ilustra as temperaturas nas quais a liga se torna completamente líquida. Perceba que esta linha decresce a partir da composição 100%p.Cu até um ponto E, o que caracteriza a redução das temperaturas de fusão do cobre devido às adições de prata. O procedimento é análogo para a solubilidade do cobre na prata. Vemos ainda uma outra linha solidus horizontal, isoterma, que se estende entre as posições de solubilidades máximas, correspondente à temperatura mais baixa na qual pode existir uma fase líquida para qualquer que seja a liga cobre-prata em equilíbrio. Reação Eutética O ponto E de interceptação das duas linhas liquidus com o patamar de temperatura de equilíbrio é chamado de ponto invariante, designado pela Figura 4.5 - Diagrama de fases cobre-prata. Fonte: Elaborado pelo autor. TE composição e , correspondente, para o sistema cobre-prata, aos valores 71,9%p.Ag e 779°C, respectivamente. Para esses sistemas, uma importante reação ocorre para uma liga de composição conforme muda de temperatura ao passar por . Para o sistema cobre-prata, temos que a composição da fase 𝛼 nesta temperatura é 8,0%p.Ag e, por sua vez, a composição da fase 𝛽 é 91,2%p.Ag. Assim, as reações químicas eutéticas desta liga podem ser escritas por: L (71,9%p.Ag) ⟶ 𝛼(8,0%p.Ag) + 𝛽(91,8%p.Ag), para o resfriamento; 𝛼(8,0%p.Ag) + 𝛽(91,8%p.Ag) ⟶ (71,9%p.Ag), para o aquecimento. De acordo com Callister (2018), a reação eutética no resfriamento é semelhante à solidi�cação dos componentes puros, já que a reação continua até uma temperatura constante de equilíbrio . A diferença para os sistemas puros, é que o produto sólido da solidi�cação eutética consiste sempre de duas fases sólidas em vez de apenas uma. Por este motivo, os diagramas de fases semelhantes aos da Figura 4.5 são chamados de diagramas de fases eutéticos, onde uma ou duas fases podem encontrar o equilíbrio ao longo da linha isotérmica, correspondente à temperatura eutética. Reações Eutetóide e PeritéticaAlguns sistemas binários contém um estado sólido semelhante à reação eutética que vimos anteriormente. Assim, além do eutético, existirão em algumas ligas outros pontos invariantes envolvendo três fases diferentes. Durante o resfriamento, em uma reação eutetóide (que signi�ca “do tipo eutética”) temos que uma fase sólida (𝛿) se transforma em duas outras fases sólidas (𝛾 + 𝜖) segundo a reação: 𝛿 ⟶ 𝛾 + 𝜖, com a reação inversa no aquecimento. Na Figura 4.6 podemos observar o comportamento de uma liga eutetóide no sistema cobre-zinco. Aqui o ponto invariante E, que ocorre a 560°C e para 74%p.Zn-26%p.Cu, é chamado de eutetóide e a linha isotérmica a 560°C, de isoterma eutetóide. Perceba que a característica que distingue a reação CE TE CE TE L TE eutetóide da eutética é o simples fato das duas fases sólidas resultarem de uma outra fase sólida, e não de uma fase líquida, em uma mesma temperatura. As reações eutetóides são particularmente importantes na tecnologia de fabricação e tratamento térmico dos aços, sendo comumente encontrada no sistema ferro-carbono. Outra reação invariante envolvendo três fases em equilíbrio é a reação peritética, onde, durante o aquecimento, uma fase sólida se transforma em uma fase líquida e outra sólida: 𝜖 ⟶ 𝛿 + L. Diferentemente dos diagramas binários analisados até então, onde os componentes puros apresentavam pontos de fusão distintos, no sistema peritético os componentes formarão compostos estáveis que podem ou não apresentar um diferente ponto de fusão. Na �gura anterior do sistema cobre-zinco, o ponto peritético é de�nido em P, à temperatura de 598°C e composição de liga 78,6%p.Zn-21,4%p.Cu. Neste ponto, a fase sólida 𝜖 sofrerá uma fusão incongruente ou transformação incongruente, ou seja, o líquido formado na fusão possui composição diferente do sólido que o originou. Além da reação peritética, outros tipos de transformações incongruentes, onde pelo menos uma das fases envolvidas apresentará mudança de composição, incluem a fusão de ligas em um sistema isomorfo e as reações eutéticas e eutetóides. praticar Vamos Praticar Os diagramas binários eutéticos, eutetóides e peritéticos são marcados pelo surgimento de pelo menos duas regiões de fase sólida, com composições e/ou estruturas cristalinas distintas. A respeito da interpretação desses diagramas de fases, é possível a�rmar: a) A linha liquidus representa o limite de solubilidade entre os elementos da liga, se estendendo do ponto de fusão até o ponto de equilíbrio. saiba mais Saiba mais A fase sólida à baixa temperatura pode ser uma solução sólida, como a que vimos, ou uma solução sólida terminal, na qual o aquecimento da solução sólida se transforma em outra fase sólida e uma fase líquida. No diagrama cobre-zinco, três outros peritéticos, além da fase 𝜖, podem ser encontrados. Acesse o link abaixo e veja as fases formadas ao longo da distribuição de temperatura-composição na liga Cu-Zn. Você consegue identi�car as composições e temperaturas referentes aos pontos eutético, eutetóide e peritéticos do diagrama?: Fonte: adaptado de Kejzlar, P., Machuta, J. (2016) ACESSAR https://www.researchgate.net/profile/Pavel_Kejzlar/publication/316598481/figure/fig2/AS:616354306588689@1523961726879/Equilibrium-Cu-Zn-phase-diagram-5_W640.jpg b) A linha solvus estabelece a fronteira entre os campos totalmente sólidos e as misturas de fases sólido-líquido. c) A solubilidade de cada um dos elementos da liga é limitada pelas linhas fronteiriças chamadas de liquidus e solidus. d) Nos diagramas de fases eutéticos, uma ou duas fases podem encontrar o equilíbrio ao longo da linha isotérmica. e) A reação eutetóide difere da eutética no fato de, durante o resfriamento, uma fase sólida se transformar em fase líquida. O sistema ferro-carbono (Figura 4.7) possivelmente seja o sistema de ligas binárias mais importante comercialmente, contendo todos os aços e os ferros fundidos. Segundo Shackelford (2008), é o sistema ferro-carbeto de ferro (Fe- Fe3C) quem fornece a principal base cientí�ca para as indústrias de ferro e aço. Além disso, esse diagrama representa o desenvolvimento microestrutural em muitos sistemas relacionados com três ou mais componentes (como alguns aços inoxidáveis que incluem grandes quantidades de cromo). O Sistema Ferro-CarbonoO Sistema Ferro-Carbono Antes de fundir, o ferro puro (eixo vertical à esquerda do diagrama) apresenta duas mudanças de estrutura cristalina: à temperatura ambiente, a fase ferrita 𝛼 é estável com estrutura CCC, quando, a 912°C, apresenta uma transformação polimór�ca para a fase austenita (𝛾), de estrutura CFC. Essa fase se mantém até 1394°C, quando a austenita CFC se transforma em ferrita 𝛿, que �nalmente se funde em 1538°C. Na composição 6,70%p.C, forma-se o composto intermediário de carbeto de ferro (Fe3C), chamado de cementita, entre os componentes das ferritas formadas pelo ferro puro. No caso dos diagramas de ferro-carbono, nossa análise �ca limitada até a região de carbeto de ferro, já que na prática, todos os aços e ferros fundidos apresentam composições de carbono inferiores a 6,70%p.C. A priori, a ferrita 𝛿 corresponde à mesma estrutura da ferrita 𝛼, diferindo apenas na faixa de temperaturas na qual existem. A cementita é formada quando o limite de solubilidade para o carbono é alcançado em torno de 727°C (abaixo dessa temperatura para a solubilidade na ferrita 𝛼 ou acima dessa temperatura até 1147°C para a coexistência com a fase austenita). Pela cementita ser mecanicamente muito dura e frágil, esse composto é usado, algumas vezes, no aumento da resistência de alguns aços. Figura 4.7 - Diagrama de fases ferro-carbeto de ferro. Fonte: Elaborado pelo autor. Neste diagrama, as áreas de interesse prático estão ao redor das reações eutética e eutetóide. É possível observar o ponto eutético para o sistema Fe- Fe3C em 4,30%p.C a 1147°C, produzindo a reação eutética para o resfriamento dada por: L(4,30%p.C) ⟶ 𝛾(2,14%p.C) + Fe3C(6,70%p.C), em que o líquido se solidi�ca para formar as fases austenita (𝛾) e cementita (Fe3C). Repare que existe um ponto invariante eutetóide para a composição de 0,76%p.C e temperatura 727°C, dada pela reação: 𝛾(0,76%p.C) ⟶ 𝛼(0,022%p.C) + Fe3C(6,70%p.C), em que a fase sólida austenita se transforma em ferrita 𝛼 e cementita. As mudanças de fases descritas pela reação eutetóide são fundamentais no tratamento térmico dos aços. De acordo com Askeland (2014, p. 406), “quase todos os tratamentos térmicos de aços são realizados para produzir uma combinação de ferrita e cementita que proporcione propriedades interessantes”. Três combinações importantes dos microconstituintes ferrita e cementita são: a perlita, bainita e martensita. De forma simpli�cada, a perlita é a estrutura formada a partir de uma mistura de ferrita e cementita. A estrutura bainita é obtida pela transformação da austenita com resfriamento controlado, contendo cementita com morfologia diferente da presente na perlita. A martensita é uma mistura de cementita muito �na presente em uma matriz de ferrita, que se desenvolve quando a martensita é reaquecida em tratamento térmico posterior à sua formação. ti praticar Vamos Praticar O sistema ferro-carbono compõe o sistema de ligas mais importantes comercialmente, as ligas ferrosas como os aços e as superligas usadas na aviação. Esse sistema é descrito pelo comportamento do ferro-carbeto de ferro, o qual possui algumas características que o difere de outros diagramas binários. Sobre os microconstituintes de um diagrama binário ferro-carbono, é possível a�rmar: a) O composto intermediário cementita é formado por carbeto de ferro (Fe3C) na composição de aproximadamente 6,7%p.C entre as fases ferritas. b) A ferrita 𝛿 difere da ferrita 𝛼 na faixa de temperaturas na qual elas existem e na estrutura cristalina cúbica formada pela solubilidade do carbono. c) A cementita é um composto mecanicamente resistente, podendo ser usada muitas vezes como substitutivo de alguns aços comerciais. d) Quasetodos os tratamentos térmicos de aços são realizados visando evitar uma combinação das propriedades da ferrita e da cementita. e) O ponto invariante de temperatura eutética para o sistema ferro-carbono permite a transformação das fases sólidas ferrita e austenita em líquido. As ligas metálicas podem ser classi�cadas de acordo com o seu percentual de carbono (ligas metálicas ferrosas) ou outros elementos ligantes (ligas não ferrosas). As ligas ferrosas são classi�cadas em aços (com altos ou baixos teores de carbono) e ferros fundidos, de acordo com as composições químicas ou forma como foram produzidos. Aços-Carbono Os aços-carbono são ligas ferrosas que contém até cerca de 2% de carbono em sua composição �nal, que podem conter ainda outros elementos químicos, como silício, cobre e manganês. De acordo com Askeland (2014, p. 409), “os aços podem ainda ser descarbonetados, �cando com teor de carbono abaixo de 0,005%p.C, ou apresentarem teores ultrabaixos, com no máximo 0,03%p.C, podendo ainda conter níveis muito baixos de outros elementos”. Aços com Baixo Teor de Carbono Os aços de baixo carbono contém normalmente de 0,04% a 0,25% de carbono, podendo ser facilmente usinados e com baixo custo de produção. Em geral, Principais Metais e Ligas MetálicasPrincipais Metais e Ligas Metálicas esses materiais possuem relativa dureza e baixa resistência, porém sua elevada ductilidade e tenacidade confere a essas ligas aplicações na indústria automotiva (carrocerias e peças de veículos) e de construção civil (vigas e elementos estruturais, como cantoneiras e canaletas). A Tabela 4.1 apresenta as composições e propriedades mecânicas de alguns aços baixo carbono comuns. Todos os códigos das ligas apresentadas a partir desta tabela são padronizações do Instituto Americano do Ferro e do Aço (AISI - American Iron and Steel Institute), da Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE - Society of Automotive Engineers) e do Sistema de Numeração Uniforme (UNS - Uniform Numbering System). Tabela 4.1 - Características mecânicas e aplicações típicas para aços com baixo teor de carbono. Fonte: Elaborado pelo autor. Aços com Médio Teor de Carbono Os aços de médio carbono apresentam concentrações de carbono entre aproximadamente 0,30 até 0,6%, podendo ser fabricados com adições de cromo, níquel e molibdênio. Essas ligas, quando tratadas termicamente, costumam apresentar maior resistência que os aços de baixo carbono, porém são menos dúcteis e tenazes. Aplicações típicas desses materiais incluem AISI ou SAE/SNU Composição (%p.) Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Aplicações comuns 1010/G10100 0,10 C; 0,45 Mn 325 180 Painéis de automóveis, pregos e arames 1020/G10200 0,20 C; 0,45 Mn 380 210 Tubos e chapas A36/K02600 0,29 C; 1,0 Mn 400 220 Aço estrutural para pontes e edi�cações A656/K11804 0,18 C; 1,60 Mn 655 552 Chassis de caminhões e vagões de trem engrenagens e peças de máquinas e tratores, trilhos de ferrovias e componentes estruturais de alta resistência. Veja a Tabela 4.2: Tabela 4.2 - Características mecânicas e aplicações típicas para aços com médio teor de carbono. Fonte: Elaborado pelo autor. A Tabela 4.2 apresentou as composições e propriedades mecânicas de alguns aços médio carbono. Aços com Alto Teor de Carbono Os aços de alto carbono contém concentrações acima de 0,6%, até cerca de 1,4%p.C, sendo usados geralmente como ferramentas de corte e como matrizes de conformação e na fabricação de facas, lâminas e arames de alta resistência. AISI/SNU Composição (%p.) Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Aplicações comuns 1040/G10400 0,40 C; 0,75 Mn 605-780 430-585 Virabrequins e parafusos 1095/G10950 0,95 C; 0,5 Mn 760-1280 510-830 Facas e lâminas de serras 4063/G40630 0,63 C; 0,3 Mo 786-2380 710-1770 Molas e ferramentas manuais 6150/G61500 0,5 C; 0,5 - 1,10 Cr 815-2170 745-1860 Pistões e engrenagens Segundo Callister (2018) esses materiais são os mais duros e resistentes, porém menos dúcteis, entre os aços-carbono. Os aços-ferramenta e para matrizes são ligas com alto teor de carbono, contendo geralmente cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio. Veja a Tabela 4.3: Tabela 4.3 - Características mecânicas e aplicações típicas para aços com alto teor de carbono. Fonte: Elaborado pelo autor. Aços Inoxidáveis Os aços inoxidáveis demandam a adição de elementos de liga para resistir à corrosão, sobretudo em atmosfera ambiente. Para exibir um comportamento anticorrosivo, a quantidade de cromo nestes aços deve ser superior a 11%p. até AISI/SNU Composição (%p.) Aplicações comuns M1/T11301 0,85 C; 3,75 Cr; 0,3 Ni (máx); 8,7 Mo; 1,75 W; 1,2 V Brocas, serras e ferramentas de torno A2/T30102 1,0 C; 5,15 Cr; 0,3 Ni (máx); 1,15 Mo; 0,35 V Matrizes para relevo O1/T31501 0,95 C; 0,5 Cr; 0,3 Ni (máx); 0,5 W; 0,3 V (máx) Lâminas de tesouras e ferramentas de corte W1/T72301 1,1 C; 0,15 Cr (máx); 0,2 Ni (máx); 0,1 Mo (máx); 0,15 W (máx); 0,1 V (máx) Ferramentas de ferreiro e marcenaria cerca de 30%p.Cr. A resistência à corrosão também pode ser melhorada com adição de níquel e molibdênio. De acordo com Askeland (2014) e Shackelford (2008), alguns aços inoxidáveis são empregados frequentemente em temperaturas elevadas e ambientes críticos, já que são altamente resistentes à oxidação e mantém sua integridade mecânica mesmo sob condições severas. Algumas aplicações desses aços incluem turbinas a gás, fornos para tratamento térmico, aeronaves e componentes do núcleo de reatores nucleares. Na Tabela 4.4 são apresentadas as composições e propriedades mecânicas de alguns aços inoxidáveis de interesse. Tabela 4.4 - Características mecânicas e aplicações típicas para aços inoxidáveis. Fonte: Elaborado pelo autor. Outras ligas, chamadas de superligas, incluem uma grande classe de materiais que apresentam resistência especialmente alta em temperaturas acima de 1.000°C. De acordo com Shackelford (2008) esses materiais possuem preços bastante elevados (em alguns casos extremamente caros) mas os rigorosos requisitos da tecnologia moderna constantemente justi�cam esses custos. Entre 1950 e 1980, por exemplo, o uso de superligas em motores a jato de aeronave subiu de 10% para 50% em peso. AISI/SNU Composição (%p.) Limite de resistência à tração (MPa) Limite de escoamento (MPa) Aplicações comuns 446/S44600 0,2 C; 25 Cr; 1,5 Mn 515 275 Válvulas (alta temperatura), moldes para vidro 316L/S31603 0,03 C; 17 Cr; 12 Ni; 2,5 Mo; 2 Mn 485 170 Construções com solda 440A/S44002 0,7 C; 17 Cr; 0,75 Mo; 1,0 Mn 725-1790 415-1650 Cutelaria e instrumentos cirúrgicos 17- 7PH/S17700 0,09 C; 17 Cr; 7 Ni; 1 Al; 1 Mn 1450 1310 Molas, facas e vasos de pressão praticar Vamos Praticar As ligas metálicas ferrosas normalmente são divididas em categorias de acordo com o teor de carbono presente, sua resistência mecânica, propriedades térmicas e/ou anticorrosivas. Faça as associações dos tipos de ligas com suas características: 1. Aço baixo-carbono 2. Aço ferramenta 3. Aço inoxidável ( ) São os mais duros e resistentes entre os aços-carbono, sendo usados como ferramentas de corte e como matrizes de conformação. ( ) Estes aços são empregados frequentemente em temperaturas elevadas e ambientes críticos, com alta resistência à oxidação. ( ) Possuem baixa resistência, elevada ductilidade e tenacidade, com aplicações na indústria automotiva e de construção civil. A partir das relações feitas anteriormente, assinale a alternativa que apresenta a sequência correta: a) 1, 2, 3. b) 2, 3, 1. c) 3, 1, 2. d) 3, 2, 1. e) 1, 3, 2. conclusão Conclusão Em geral, toda análise que compete a classi�cação e de�nição das propriedades de materiais requer uma interpretação dos diagramas de fases para os compostos analisados. Nessa unidade, entendemos um pouco mais sobre as características próprias, mecânicas e termodinâmicas, de diferentes tipos de materiais metálicos a partir da leitura dos diagramas de fases.Nos casos mais simples, abordamos os diagramas de equilíbrio e alguns diagramas binários representativos, entendendo como determinar as composições e quantidades de fases presentes em uma liga. Passamos aos diagramas eutéticos, eutetóides e peritéticos, buscando exempli�car as transformações de fases por meio de diagramas reais de ligas metálicas. Por �m, �zemos uma leitura sobre as principais ligas metálicas, exempli�cando algumas ligas comerciais em relação à sua estrutura de fases e estabilidade mecânica e térmica em determinadas aplicações. referências Referências Bibliográ�cas ASKELAND, Donald R., WRIGHT, Wendelin J. Ciência e engenharia dos materiais. 3 ed. São Paulo: Cengage Learning, 2014. CALLISTER, Willian D. Jr., RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018. SHACKELFORD, James F. Introdução à ciência e engenharia dos materiais para engenheiros. 6 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008.
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