Aços: Composição e Estrutura

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133 
O que é um Aço? 
• Liga metálica a base de ferro (ferrosa) 
• Contém carbono, tipicamente, em 0,1 e 1,5 wt% 
• Pode conter outros elementos de liga 
 Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, Co ou Si 
• Propriedades dependem da composição química e da 
microestrutura. 
 Ex: Mais carbono => mais resistente e menos dúctil 
 Ex: Presença de Cr => aço inoxidável 
134 
As Estruturas Cristalinas do Ferro 
• O Ferro apresenta diferentes estruturas cristalinas, 
dependendo da temperatura – alotropia 
• De Tamb até 912
oC 
 Cúbica de corpo centrado 
 Ferrita ou -Ferro 
 
• De 912oC até 1394oC 
 Cúbica de face centrada 
 Austenita ou -Ferro 
 
• Temperatura de fusão: 1538oC 
135 
O Conceito de Ligas Metálicas 
Metal Puro 99,99999% 
Impurezas Elementos de liga 
Solução sólida Segunda fase 
Não há formação de novas estruturas 
O soluto está uniformemente distribuído na rede 
Solutos que não 
queremos 
Solutos que 
queremos 
Um novo 
composto 
Solvente 
136 
Interstícios e Carbono nas Redes do Ferro 
• Rint
ccc = 0,019 nm 
• Rint
cfc = 0,051 nm 
• Rcarbono = 0,077 nm 
• Assim, o átomo de carbono é maior 
do que o interstício e fica sob 
compressão. 
 A presença de carbono distorce a 
rede, contribuindo para endurecer o 
material. 
 A concentração máxima de carbono 
na ferrita é muito baixa (0,022 wt%) 
 Como o interstício central da cfc é 
cerca de 2,7X maior, a concentração 
máxima de carbono na austenita é 
muito maior (2,11 wt%) 
Átomo de soluto 
ocupando um 
interstício na rede 
da Ferrita 
Átomo de soluto 
ocupando um 
interstício na rede 
da Austenita 
137 
Diagrama Eutetóide – Ferro Carbono 
• Diagrama semelhante a um eutético, no qual ocorre uma 
transição tipo eutética no estado sólido. 
T( C) L 
(austenita) 
 + Fe3C 
 + Fe3C 
 + L 
400 
800 
1200 
1600 
0.77 
4.30 2.11 
727 C 
1148 C 
912 C 
1394 C 
1538 C 
1 2 3 4 5 6 6.7 
Concentração (wt% C) 
Cementita 
(Fe3C) 
(Fe) 
 
 
0.77 
0.022 
138 
Diag. Fe-C - Características básicas 
• Fases do Ferro puro 
 Tamb - 912°C => Fe na forma de Ferrita ( -Fe, CCC) 
 912°C-1394°C => Fe na forma de Austenita ( -Fe, CFC) 
 1394°C-1538°C => Fe na forma de Delta Ferrita 
( -Fe,CCC) - nenhum valor tecnológico 
• Solubilidade do C em Fe 
 Na fase - máximo de 0.022% 
 Na fase - máximo de 2.11% 
• Cementita - Fe3C 
 Composto estável que se forma nas fases e quando a 
solubilidade máxima é excedida, até 6.7 wt% C. 
 É dura e quebradiça. A resistência de aços é aumentada pela sua 
presença. 
139 
Diag. Fe-C - Características básicas 
• Reação eutética 
 A 1148°C ocorre a reação 
 L (4.3% C) <=> (2.11% C) + Fe3C (6.7% C) 
• Reação eutetóide 
 A 727°C ocorre a reação 
 (0.77% C) <=> (0.022% C) + Fe3C (6.7% C) 
 que é extremamente importante no tratamento térmico de 
aços. 
• Classificação de ligas ferrosas 
 0-0.008wt% C - Ferro puro 
 0.008-2.11wt% C - aços (na prática < 1.0 wt%) 
 2.11-6.7wt% C - ferros fundidos (na prática < 4.5wt%) 
140 
Evolução microestrutural 
• Concentração eutetóide 
 + Fe3C 
0.77 wt% C 
727 C 
Inicialmente, temos apenas a fase 
. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase se 
transforma em perlita (ferrita + 
Fe3C) de acordo com a reação 
eutetóide. 
Estas duas fases tem concentrações 
de carbono muito diferentes. Esta 
reação é rápida. Não há tempo para 
haver grande difusão de carbono. 
As fases se organizam como 
lamelas alternadas de ferrita e 
cementita. 
Perlita 
( + Fe3C) 
141 
Evolução microestrutural (cont.) 
• Concentração hipo-eutetóide 
Inicialmente, temos apenas a fase . 
 Em seguida começa a surgir fase 
nas fronteiras de grão da fase . 
A uma temperatura imediatamente 
acima da eutétoide a fase já cresceu, 
ocupando completamente as fronteiras 
da fase . A concentração da fase é 
0.022 wt% C. A concentração da 
fase é 0.77 wt% C, eutetóide. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase se 
transforma em perlita (ferrita 
eutetóide + Fe3C). A fase , que não 
muda, é denominada 
ferrita pro-eutetóide. 
 + Fe3C 
727 C 
Fe3C 
pro-eutetóide 
perlita 
C0 
142 
Evolução microestrutural (cont.) 
• Concentração hiper-eutetóide 
Inicialmente, temos apenas a fase . 
Em seguida começa a surgir fase Fe3C 
nas fronteiras de grão da fase . A 
concentração da Fe3C é constante igual 
a 6.7 wt% C. A concentração da 
austenita cai com a temperatura 
seguindo a linha que separa o campo
+Fe3C do campo . A uma temperatura 
imediatamente acima da eutetóide a 
concentração da fase é 0.77 wt% C, 
eutétóide. 
A uma temperatura imediatamente 
abaixo da eutetóide toda a fase se 
transforma em perlita. A fase Fe3C , 
que não muda, é denominada 
cementita pro-eutetóide. 
 + Fe3C 
727 C 
Fe3C 
Fe3C pro-eutetóide 
perlita 
C1 
Fe3C 
143 
Exemplos de microestruturas 
Aço hipo-eutetóide com 0.38 wt% C, 
composto por ferrita pro-eutetóide (fase 
clara) e perlita [fase com lamelas claras 
(ferrita) e escuras (cementita)]. 635x. 
Aço hiper-eutetóide com 1.40 wt% C, 
composto por cementita pro-eutetóide (fase 
clara) e perlita. 1000x. 
144 
Glossário 
• Austenita = -Fe = fase 
• Ferrita = -Fe = fase 
• Cementita = Fe3C (6.7 wt% C em Fe) 
• Perlita = Ferrita e Cementita em lamelas alternadas 
• Hipo = menor que - Hiper = maior que 
• Ferrita pro-eutetóide = Ferrita que se forma a T >Teutetóide 
p/composição hipo-eutetóide (<0.77 wt%C) 
• Cementita pro-eutetóide = Cementita que se forma a 
T >Teutetóide p/composição hiper-eutetóide. 
145 
Estudo de Caso 1 
Aços Especiais para a 
Indústria Automobilística 
146 
Emprego dos Aços 
Samsung 
 WF337 
56 andares e 
17 horas de incendio 
147 
Emprego dos Aços (cont.) 
148 
Aços na Indústria Automobilística 
• Em meados da década de 90 Bill Clinton e Al Gore 
colocaram um desafio para a indústria automobilística 
americana: 
 Um carro que percorresse 33km com 1 litro de gasolina, até 
2004 ! 
149 
• Principais fatores que influenciam consumo de 
combustíveis (e emissão de poluentes): 
1) Peso do veículo (motor, carroceria) 
2) Potência e eficiência do motor 
3) Aerodinâmica do veículo 
4) Atrito das rodas com o solo 
 
Aços na Indústria Automobilística 
Utilização de aço em chapas mais finas (portanto de menor peso), no 
entanto com resistência mecânica e capacidade de absorção de energia 
(tenacidade) maiores (~ 60% - 70% do peso de um carro são aços) . 
http://www.youtube.com/watch?v=CarIKS40eW8&feature=related 
 
Motor de Al e não de ferro fundido - Cerato 
150 
Aços avançados de alta resistência 
(AHSS) 
Em torno de 60% em peso de carros modernos são feitos de diferentes tipos de aços. 
No entanto, o aço convencional está sendo substituído por aços de alta resistência. 
 
151 
Aços avançados de alta resistência 
(AHSS) 
152 
O Projeto ULSAB 
• Um consórcio mundial do qual participam 32 
siderúrgicas. 
 UltraLight Steel Auto Body – Carroceria de aço ultra leve 
 Redução de peso e manutenção da segurança 
 Link 
153 
ULSAB x Convencional 
11.71%
9.69%
8.27%
9.99%
54.49%
5.85%
 
 
 Fluidos
 Aço
 Ferro Fundido
 Metais Nao Ferrosos
 Plasticos
 Outros Materiais
Carros Convencionais 
12.36%
12.66%
6.43%4.72%
59.8%
4.02%
 Fluidos
 Aço
 Ferro Fundido
 Metais Nao Ferrosos
 Plasticos
 Outros Materiais
 
 
Carros ULSAB
http://www.steeluniversity.org/ 
154 
Resultados 
• Classe-C • PNGV – Partnership for a 
New Generation of Vehicles 
155 
Aços na Indústria Automobilística 5 
Vista Explodida do 
Monobloco 
Class –C 
156 
Tipos de Aços 
• Aços utilizados no modelo Classe-C 
Codigo Tipo de Aço 
Mild Mild Steel ( Aço Carbono) 
BH Bake Hardenable (Aço Envelhecível) 
IF Interstitial Free ( Aço livre de intersticiais) 
HSLA ( ARBL) High Strength Low Alloy (Alta Resistencia Baixa Liga) 
DP DualPhase ( Aço Bifásico) 
CP Complex Phase ( Aço Complexo) 
Mart Martensitic (Martensítico) 
TRIP Transformation Induced Plasticity ( Plasticidade 
induzida por transformação) 
http://www.worldautosteel.org/Projects/LCA-Study.aspx 
157 
Propriedades Mecânicas 
Limite de Resistência (MPa) 
A
lo
n
g
a
m
en
to
 %
 
158 
Vantagens dos Aços Avançados 
• Advanced High-Strength Steel (AHSS) 
 Aços Avançados de Alta Resistência 
 21 a 25% redução no peso do “ body-in-white” 
(monobloco) 
 9 % redução no peso total sem passageiros (curb weight) 
 5,1% redução de consumo de combustível 
 5,7% redução de emissões do ciclo de vida (CO2) 
 pouco ou nenhum aumento no custo de manufatura 
159 
Impacto Ambiental do uso de Aços AHSS 
• Para cada 1 kg de AHSS utilizado em veículos existe um total 
de 8kg de CO2 equivalente. 
• Se todos os veículos forem globalmente produzidos com aços 
AHSS a emissão de CO2 anual seria reduzida em 156 milhões 
de toneladas. 
• CO2 equivalente 
 É um padrão universal de medidas contra os impactos de liberação 
ou de evitar a liberação de diferente gases que causam o efeito 
estufa. 
• http://www.worldautosteel.org/Projects/LCA-Study.aspx 
160 
Exemplos de Carros com Aços Avançados 
Mercedes S Class. ≈50% dos 
componentes do “body. 
Dodge Avenger 2008. ≈ 30% do “body”. 
Audi Q5 2008. 
Mitsubishi Lancer 2008. Melhora a 
rigidez torsional em 56% e a 
resistência ao dobramento em 50%. Jaguar XF 
161 
Tratamentos Térmicos e Fases Metaestáveis 
• As fases mostradas nos diagramsa só são formadas se o 
resfriamento for lento. 
 É necessário dispor de tempo para que os átomos de 
carbono se movam através da rede do ferro. Difusão. 
• Caso o resfriamento seja rápido, fases de não 
equilíbrio, metaestáveis, se formam. 
 Ex: Martensita – fase formada a partir do resfriamento 
abrupto da austenita. Fase extremamente dura. 
• Ao resfriamento abrupto se dá o nome de têmpera (em 
inglês quenching). 
 
162 
Aços TRIP 
• No resfriamento abrupto, em certas faixas de concentração de 
carbono, obtém-se, além da martensita, austenita a temperatura 
ambiente. 
• A austenita “não deveria existir” nesta temperatura. Assim, ela 
é metaestável e pode se transformar em outra fase, quando o 
material sofre alguma interação. 
 Ex: Austenita se transforma em martensita. 
• Nos aços TRIP – Transformation Induced Plasticity 
(Plasticidade induzida por transformação), a austenita se 
transforma em martensita devido ao efeito de uma força que 
causa uma deformação. 
 Esta transformação torna o aço mais plástico, daí a origem do nome. 
163 
Aplicações dos Aços TRIP 
• Aços TRIP são particularmente uteis para proteção de 
impacto lateral. A medida que o material se deforma e 
absorve a energia de impacto, também se torna mais 
resistente e endurece, prevenindo o colapso total das 
seções laterais e protegendo os passageiros. 
Barra de reforço no painel da porta e coluna B 
164 
Detalhes das Aplicações de Aços TRIP 
Coluna B 
TRIP780 
1.3 mm 2 mm 
Alma do Parachoque 
TRIP780/1.6mm 
2 mm 1.5 mm 1.5 mm 1.8 mm