Aula_06

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PRINCÍPIO DA CIÊNCIA E TEC. DOS MATERIAIS
Iran Aragão
AULA 06
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OBJETIVO DA AULA
Ao final desta aula, você deverá:
Conhecer as ligas comerciais de Aço e Ferro Fundido utilizados na industria em geral.
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 É importante saber que aço e ferro não são a mesma coisa. As propriedades mecânicas e estruturas cristalinas são diferentes e devem ser bem conhecidas, a fim de que possam ser industrialmente utilizadas corretamente.
 Essa diferença é dada pela quantidade de carbono existente na composição.
INTRODUÇÃO
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 Aços: possuem de 0,008 a 2,11% C.
 Ferro fundido: possuem teores de carbono de 2,11 < %C ≤ 6,7.
INTRODUÇÃO
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 O ferro é obtido pelo aquecimento, em alto forno, dos minérios de ferro, fazendo com que os óxidos se liguem ao carbono. 
 Os principais minérios de ferro são: Hematita e Magnetita. 
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Vejamos o que entra e o que sai no alto forno:
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
 Matérias primas.
 Calcáreo (CaCO3) 
 Coque (fonte de calor)
 Minério
 Ar
 Produtos:
 Gases
 Gusa (ferro, carbono etc)
 Escória (oxidação das diversas impurezas)
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 As principais impurezas que a gusa contém são o silício, enxofre, fósforo e manganês.
 O carbono dá ao ferro tanto mais dureza quanto maior for o seu teor, por outro lado, baixa-lhe o ponto de fusão e a maleabilidade. Aumenta também a sua tenacidade e a sua aptidão para a tempera, mas torna-o menos soldável e pouco resistente.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 O silício (0.75-3.5%) endurece a fundição, torna o ferro mais macio e compacto, diminui a maleabilidade e a forjabilidade. 
 O enxofre (2 a 3%) é uma das impurezas mais prejudiciais, reduz-lhe a resistência, a forjabilidade e torna-o menos soldável. Sob a forma de sulfureto de ferro é absorvido pela gusa e como sulfureto de cálcio é absorvido pela escória. Deixa o aço quebradiço.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 O fósforo também torna o ferro quebradiço, diminui a sua tenacidade e aumenta a fluidez. É facilmente reduzido à sua forma elementar e absorvido pelo ferro, o seu teor não pode ser regulado nas condições redutoras do alto forno e aparece totalmente na gusa.
 O manganês aumenta a dureza e a resistência, mas dificulta a maleabilidade. Favorece a separação do enxofre da massa fluida.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
Alotropia do Ferro Puro
Temperatura			Formas do Ferro
 Tamb – 912ºC			Ferrita (α – Fe, CCC)
 912ºC – 1385ºC			Austenita ( – Fe, CFC)
1385ºC – 1538ºC			Delta Ferrita (δ – Fe, CCC) 					
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LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
Alotropia do Ferro Puro
ALOTROPIA:
Fenômeno que consiste em um elemento poder cristalizar-se em diferentes formas cristalinas.
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 Ferrita
 Máximo de carbono na liga igual a 0.02% a uma temperatura de 727°C 
 Baixas dureza e resistência à tração (300MPa, valor estimado)
 Características magnéticas
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Austenita
 não-magnética
 boa resistência
 existente acima da temperatura critica de 723°C
 estrutura cúbica de faces centradas
 percentagem de carbono variável entre 0.8% a 723°C e 2.08% a 1148°C
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Perlita
 estrutura tetragonal de corpo centrado
 propriedades intermédias entre a ferrita e a cementita (700MPa , valor estimado)
 a perlita desenvolve-se no arrefecimento lento do aço
 presente nos aços recozidos (aquecimento acima da zona crítica e arrefecimento lento)
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Cementita F3C
 máximo teor de carbono 6,67%
 elevadas resistência (2000MPa , valor estimado) e dureza
 Baixa ductilidade
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
Formas comerciais do aço
Para os diferentes usos industriais, o aço é encontrado no comércio na forma de vergalhões, perfilados, chapas, tubos e fios.
Vergalhões - são barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento posterior à laminação.
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LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
Formas comerciais do aço
Perfilados - São vergalhões laminados em perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.
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 Classificação dos materiais metálicos ferrosos:
 Puro
 Gusa (2 a 4,5%)
 Fundido
 e suas ligas
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Tipos de ferro fundido (liga ternária): Fe, C e Si
 Ferro fundido cinzento
 Ferro fundido branco
 Ferro fundido nodular
 Ferro fundido maleável
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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Microestrutura dos Ferros Fundidos (fofos) é controlada:
 Pela composição química
 Pelo processo de fabricação
FERROS FUNDIDOS
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Efeitos dos elementos de liga
Composição química é um dos fatores mais importantes para determinar a estrutura dos fofos;
A forma do carbono: cementita ou grafita;
Carbono, silício, manganês, fósforo e enxofre;
FERROS FUNDIDOS
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Carbono – como nos aços, é o elemento de liga básico; determina obviamente, a quantidade de grafita que pode se formar;
Silício – É o elemento grafitizante por excelência, ou seja, favorece a decomposição do carboneto de ferro; sua presença, independentemente do teor de carbono, pode fazer o Fofo tender de fofo cinzento ou branco;
FERROS FUNDIDOS
Efeitos dos elementos de liga
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Enxofre – nos teores normais, não tem ação significativa.
FERROS FUNDIDOS
Efeitos dos elementos de liga
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 Propriedades
 Baixo custo;
 Ponto de fusão mais baixo que o aço;
 Boa fluidez;
 Versatilidade de propriedades e aplicações.
FERROS FUNDIDOS
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Alta velocidade de resfriamento
Corresponde as seções mais finas e ao contato com as paredes dos moldes, originam-se as chamadas seções coquilhadas, em que houve pouca, ou nenhuma decomposição da cementita. Esse fato leva ao aparecimento do Fofo Branco.
FERROS FUNDIDOS
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Baixas velocidades de resfriamento
Nas seções espessas dá-se tempo suficiente para a decomposição da cementita, ocorrendo então a grafitização: um ferro fundido nessas condições apresentara fratura escura, devido a presença de carbono livre, e corresponderá ao ferro fundido cinzento, ao contrário do anterior, cuja fratura será branca pela quase total ausência de grafita.
FERROS FUNDIDOS
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Resumidamente
Os dois fatores mais importantes, sob o ponto de vista da estrutura do ferro fundido, são: o teor de silício e a velocidade de resfriamento.
FERROS FUNDIDOS
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Baixo teor de Si
Resfriamento rápido
Seções finas
Adição de : Ti, V, Cr, Mn, Mo
FERROS FUNDIDOS
Fatores que favorecem formação da Cementita
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Faixa de composição de ferros fundidos típicos comuns:
FERROS FUNDIDOS
Classificação dos Fofos quanto ao tipo de liga
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FERROS FUNDIDOS - resfriamento
FERROS 
FUNDIDOS
Fofo CINZENTO
Fofo NODULAR
Fofo MALEÁVEL
Fofo BRANCO
Perlítico
Ferrítico
Perlítico
Ferrítico
Perlítico
Ferrítico
Resfriam.
Moderado
Resfriam.
Lento
Resfriam.
Moderado
Resfriam.
Lento
Resfriam.
Moderado
Resfriam.
Lento
Resfriam.
Rápido
Ledeburita
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 Ferro fundido cinzento
Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafita livre em sua microestrutura; Alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; e facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Ferro fundido cinzento
Este tipo de material é utilizado em larga escala pela indústria de máquinas e equipamentos, indústria automobilística, ferroviária, naval e outras. A presença de veios de grafita em sua microestrutura proporciona diversas características que tornam do ferro fundido cinzento quase que insubstituível na fabricação de carcaças de motores e bases de equipamentos. 
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Ferro fundido cinzento
A grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações, facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor estabilidade dimensional.
Existem diversas classes de ferro fundido cinzento, com diferentes tipos, tamanhos e quantidades de grafite e diferentes tipos de matriz metálica (variações nos teores de perlita e ferrita). Podem ser submetidos a tratamentos térmicos para endurecimento localizado, porém, em geral, são utilizados nos estados normalizado ou recozido.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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É caracterizado pelos fatores que favorecem a formação da grafita
A fratura é de cor cinzenta
É barato
É o mais usado
É de boa resistência Mecânica (até 40 Kgf/mm2), ao desgaste e elevada dureza
É de fácil usinagem e difícil soldagem
É obtido pelo resfriamento lento
É de fácil fusão
Elevado coeficiente de amortecimento
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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Ferro fundido mais usado (75%)
Fundição de componentes mecânicos em geral
Blocos de motores
Engrenagens de grandes dimensões
Máquinas agrícolas
Carcaças e suportes de máquinas
Aplicações
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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Aplicações
Anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens, eixos de comandos de válvulas, virabrequins, etc
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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Composição típica
C  		2,5-4%
Si 		 1-3% 
Mn 	 0,4 -1%
Alto teor de Si melhora
·	Resistência à corrosão
·	Fluidez
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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Estrutura típica
Grafita lamelar devido ao C livre na matriz de ferrita, perlita ou outra estrutura proveniente da austenita.
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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Recozimento para alívio de tensões ou para facilitar a usinagem (obtendo matriz ferrítica)
Têmpera e revenido para obtenção de martensita (maior dureza)
Tratamentos térmicos atuam apenas na matriz => obtenção de grafita em veios é irreversível
Tratamentos térmicos
FERRO FUNDIDO CINZENTO
FERROS FUNDIDOS
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FERRO FUNDIDO CINZENTO
(em kpsi)
FERROS FUNDIDOS
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 Ferro Fundido Branco
Menos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência a abrasão. Este tipo de ferro fundido não possui grafita livre em sua microestrutura. Neste caso todo o carbono encontra-se combinado com o ferro na forma de cementita, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. 
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Ferro Fundido Branco
A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material. É utilizado na fabricação de equipamentos para a moagem de minérios, pás de escavadeiras e outros componentes similares.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Ferro Fundido Branco
 Alta veloc. resfriamento => Carbono solidifica sob a forma de cementita;
 A extrema dureza e fragilidade da cementita caracterizam este fofo;
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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Para condições normais de solidificação
Material Ductíl
100 < HB < 240
Material Duro
240 < HB < 300
Material Muito Duro
300 < HB < 450
Material Hiper Duro
450 < HB < 550

FERROS FUNDIDOS
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PROPRIEDADES
Grande resist. à compressão e ao desgaste (cementita)
Extremamente frágil
Não pode ser usinado
Soldagem impossível
Baixo custo
APLICAÇÕES
Principal aplicação é a produção de ferro fundido maleável
Peças sujeitas a elevada compressão e atrito
Esferas de moinhos e rolos de laminadores
Elevada taxa de resfriamento necessária limita o tamanho das peças.
FERRO FUNDIDO BRANCO
FERROS FUNDIDOS
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 Ferro fundido nodular
O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o carbono (grafita) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Seu custo é ligeiramente maior quando comparado ao ferro fundido cinzento.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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 Ferro fundido nodular
O ferro fundido nodular é utilizado na indústria para a confecção de peças que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros fundidos cinzentos.
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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CARACTERÍSTICAS
3,5  %C  4,0 ; 1,8  %Si  3,0 
Carbono livre na forma esferoidal
 Devido
Ao tratamento feito no estado líquido

Inoculação da liga Fe-Mg-Si (+ comum)
Em vez de flocos de C formam-se nódulos
A matriz é ferrítica (veloc. baixa) ou perlítica (veloc. moderada)
FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal)
FERROS FUNDIDOS
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PROPRIEDADES
Alta resistência, tenacidade e ductilidade
Excelente usinabilidade
Possibilidade de deformação a quente
Grande resistência ao desgaste, compressão, tração, escoamento e a corrosão
Fluidez boa
Soldabilidade melhorada
Baixo custo (superior ao ff cinzento)
FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal)
FERROS FUNDIDOS
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APLICAÇÕES
 Válvulas, carcaça de bombas, virabrequins, engrenagens, pinhões, cilindros e outros componentes de máquinas e automóveis. 
FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal)
FERROS FUNDIDOS
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TRATAMENTOS TÉRMICOS
Recozimento para alívio de tensões ou para melhorar a ductilidade
Têmpera e revenido
Tratamentos térmicos atuam apenas na matriz => obtenção de grafita em nódulos é irreversível
FERRO FUNDIDO DUCTIL (ou nodular, ou esferoidal)
FERROS FUNDIDOS
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FERRO FUNDIDO DUCTIL OU NODULAR
FERROS FUNDIDOS
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 Ferro fundido maleável 
Obtido por tratamento térmico em altas temperaturas por longos tempos (tratamento de maleabilização) a partir de um ferro fundido branco 
Propriedades mecânicas dos maleáveis: Ficam entre as do nodular e do cinzento com alta resistência mecânica e fluidez no estado líquido, média ductilidade (para um fofo que possui em geral muito baixa ductilidade) e resiliência, boa resistência à compressão. 
LIGAS DE AÇO E FERRO FUNDIDO
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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
FERROS FUNDIDOS
DUREZA		BRINELL: 300			RC: 30
A alta taxa de resfriamento necessária para produzir inicialmente a estrutura do fofo branco restringe o tamanho e a espessura das peças de fofo maleável (menores de 4,5 Kg).
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PROPRIEDADES
Variando a taxa de resfriamento, pode obter-se um largo espectro de propriedades 
Boa resistência à corrosão
Boa usinabilidade e fluidez
Propriedades similares ao ff dúctil
Alta resistência, tenacidade e ductilidade
FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
FERROS FUNDIDOS
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APLICAÇÕES
Aplicação similares ao ff dúctil
Peças sujeitas a alta temperatura
Elementos de ligação
Juntas universais
Pequenas ferramentas
FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
FERROS FUNDIDOS
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Processo de maleabilização:
Tratamento térmico ao qual se submete certos ferros fundidos brancos com carbono na forma primária de ferrita e cementita e que consiste num aquecimento prolongado, em condições de temperatura, tempo e meio controladas, de modo a provocar transformação de parte do carbono combinado em grafita.
FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
FERROS FUNDIDOS
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Até a próxima aula!
Bom Estudo!
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