Apresentacao 3

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CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Professor: DSc. William Gonçalves Vieira
Engenheiro químico graduado na UFRJ em 1978
Especialização na Petrobras – CENPEQ em 1979
Mestrado na UEM em 1998
Doutorado na UNICAMP em 2002
Engenharia Química – CTEC/UFAL
APRESENTAÇÃO 3
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NOÇÕES SOBRE METALURGIA
DEFINIÇÕES
LIGA FERROSA São todas as ligas metálicas cujo principal componente seja o elemento químico ferro.
AÇO CARBONO São todas as ligas ferrosas que contenham na sua composição química um teor de carbono entre 0,008 e 2,06 % e as impurezas descritas abaixo, dentro dos limites especificados:
Fósforo: entre 0,04 e 0,10 %
Enxofre: até 0,06 %
Manganês: entre 0,25 e 1,0 %
Silício: entre 0,05 e 0,3 %
Al, H, O, N: traços
FERRO FUNDIDO São todas as ligas ferrosas que contenham na sua composição química um teor de carbono entre 2,06 e 6,7 % e as impurezas descritas abaixo, dentro dos limites especificados:
Fósforo: entre 0,04 e 0,10 %
Enxofre: até 0,06 %
Manganês: entre 0,25 e 1,0 %
Silício: entre 1,0 e 2,8 %
Al, H, O, N: traços
NOÇÕES SOBRE METALURGIA (continuação)
AÇO LIGA São todas as ligas ferrosas que contenham na sua composição química os mesmos teores de carbono e impurezas do aço carbono, mais a presença de outros elementos químicos, chamados de elementos de liga.
AÇO INOXIDÁVEL São os aços liga em que pelo menos um dos elementos de liga presentes na composição químicos do aço seja o CROMO com um teor acima de 12%. Os aços inoxidáveis são classificados em função da sua microestrutura cristalina predominante, assim podemos ter:
aços inoxidáveis austeníticos   microestrutura austenítica.
aços inoxidáveis ferríticos   microestrutura ferrítica
aços inoxidáveis martensíticos   microestrutura martensítica.
LIGAS NÃO FERROSAS São todas as ligas metálicas em que o principal elemento químico na composição da liga não seja o Ferro, embora este possa participar da composição da liga, mas não como elemento preponderante.
NOÇÕES SOBRE METALURGIA (continuação)
IMPUREZAS São todos os elementos químicos indesejáveis que aparecem na composição química da liga metálica.
Como podemos observar, um composto metálico não é puro, pois apresenta em sua composição outros compostos devido à solubilidade do processo de fabricação.
Existem normas internacionais que padroniza os diversos compostos encontrados no mercado; portanto nossas necessidades devem adequar aos padrões existentes.
PROCESSO SIMPLIFICADO DA FABRICAÇÃO DO AÇO
1a ETAPA: Preparação da matéria prima para o alto - forno.
COQUERIA: Remove os gases do carvão transformando-o em coque metalúrgico. Este coque será o agente redutor do ferro. Sua queima vai liberar calor para a fusão do minério de ferro.
SINTERIZAÇÃO: O minério de ferro é calcinado e transformado em esferas porosas. Esse produto é chamado de SINTER.
2a ETAPA: Produção da GUSA no alto forno a partir da matéria prima preparada na coqueria e sinterização. 
3a ETAPA: Produção do aço através do refino do ferro-gusa. Esta etapa pode ser feita pelos processos de lingotamento ou fundição.
O refino consiste em reduzir os elementos químicos do ferro-gusa aos teores especificados.
As principais reações químicas que ocorrem no refino são:
- REAÇÕES DE REMOÇÃO DO OXIGÊNIO DO MEIO LÍQUIDO:
C  C + ½ O2  CO 
Si  Si + O2  SiO2  ( escória )
Mn  Mn + ½ O2  MnO  ( escória )
S  S + O2  SO2 
- REAÇÃO DE REMOÇÃO DO ÓXIDO DE FERRO:
P  2P + 5 FeO + 4CaO  4 CaO.P2O5  (escória) + 5 Fe 
PROCESSO SIMPLIFICADO DA FABRICAÇÃO DO AÇO (continuação)
4a ETAPA: Conformação do aço sólido para as dimensões desejadas. Nessa etapa o método a ser empregado, depende do produto desejado.
A metalurgia do aço é denominada de Siderurgia. Como curiosidade, devido às condições de operação o alto-forno não pode ser desligado. Segue um esquema de produção do aço no alto-forno.
O processo é consumidor intensivo de ar. Para cada tonelada de ferro produzida, são usadas cerca de 2 t de minério, 0,5 t de calcário, 1 t de coque e 4 t de ar. E, como subprodutos, gera cerca de 0,5 t de escória e 6 t de gás.
O ferro que sai do alto forno, chamado ferro-gusa, contém elevados teores de carbono e de impurezas.
A produção do ferro na forma comercial segue os critérios de equilíbrio de fases, denominado de Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono.
PROCESSO SIMPLIFICADO DA FABRICAÇÃO DO AÇO (continuação)
PROCESSO SIMPLIFICADO DA FABRICAÇÃO DO AÇO (continuação)
Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas, isto é, estruturas cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, chamadas temperaturas de transição. O ferro apresenta 3 variedades, conforme descrito:
Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540°C), o ferro apresenta estrutura cúbica de corpo centrado, chamada de ferro delta (Fe δ). Permanece nesta condição até cerca de 1390ºC e, abaixo desta, transforma-se em ferro gama (Fe γ), com estrutura cúbica de face centrada. Abaixo de 912°C, readquire a estrutura cúbica de corpo centrado, agora chamada de ferro alfa (Fe α). Continuando o resfriamento, a 770°C ocorre o ponto de Curie, isto é, ele passa a ter propriedades magnéticas. Isto se deve à mudança do direcionamento da rotação dos elétrons (spin). 
Segue o Diagrama de Equilíbrio Ferro-Carbono
Abaixo, definições dos termos usados no diagrama:
Austenita: é a solução sólida do carbono em ferro gama.
Ferrita: é a solução sólida do carbono em ferro alfa.
Cementita: o carboneto de ferro (Fe3C).
Grafita: a variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal).
	Diagrama de Equilíbrio Fe-C.
Observando o diagrama, podemos certificar o porque da composição do ferro fundido e do aço-carbono.
O teor de carbono exerce influência nas propriedades mecânicas do aço. Quanto maior C, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços com elevados teores de carbono apresentam maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, uma substância bastante dura mas quebradiça.
Essas transformações são influenciadas pela velocidade de resfriamento do aço. Portanto, as propriedades dos aços são alteradas pelos processos de aquecimento e resfriamento denominados de Tratamento térmico.
Principais heterogeneidades do aço
VAZIOS: Como o aço resfria de fora para dentro, acabam ocorrendo vazios no interior dos metais após sua total solidificação porque o metal diminui de volume.
SEGREGAÇÃO: Como o meio líquido tem maior solubilidade do que o meio sólido, o metal vai se solidificando e as impurezas existentes na fase líquida vão sendo empurradas para a parte do metal que ainda está líquida que é o centro.
DENDRITAS: O metal forma cristais que crescem competitivamente a partir das laterais da lingoteira em direção central até se encontrarem e completar a solidificação. Esses cristais formados se assemelham a ramificação de uma árvore (dendron em grego), por isso chama-se de dendritas.
BOLHAS: São cavidades cheias de gases que dissolvidos no metal líquido não conseguem escapar durante a solidificação do metal e ficam retidos no seu interior, junto com os vazios e segregações.
TRATAMENTO TÉRMICO DO AÇO
Aquecimentos e resfriamentos de aços podem provocar mudanças nas estruturas dos mesmos e, por conseqüência, nas propriedades físicas. Os tratamentos mais comuns são:
Recozimento - finalidade reduzir dureza, melhorar ductilidade, remover gases dissolvidos, homogeneizar estrutura dos grãos, etc.
Normalização - finalidade regularizar e refinar a estrutura granular de peças laminadas, forjadas, ou fundidas. É geralmente usada como tratamento prévio à têmpera, propiciando também menores empenamentos e deformações.
Têmpera - A principal finalidade é o aumento da dureza e da resistência à tração .
Revenido - É o tratamento usado para remover os problemas deixados pela têmpera.
Austêmpera - Redução de empenamentosou tendência de trincas.
Martêmpera - O resfriamento mais lento reduz empenamento e as tensões residuais.
Endurecimento Superficial - Em alguns casos, é bastante desejável que apenas a superfície seja endurecida. É o caso típico de engrenagens, nas quais apenas a superfície deve ser dura o bastante para resistir bem ao desgaste provocado pelo contato dos dentes sem afetar as propriedades internas.
Final da 3ª. apresentação