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AULA 3 Aços 1. Classificação e seleção dos aços 2. Aços comuns 3. Aços-liga 4. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Ferros Família dos aços Família dos ferros fundidos Soluções sólidas: Ferro Austenita Ferrita Composto estequiométrico: Cementita Fe3C Reações: peritética eutética eutetóide Diagrama Fe-C Materiais para Construção Mecânica DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C fofos aços Fe Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso OBSERVAÇÕES Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta: Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para teores mais elevados A dureza aumenta continuamente Diminui a ductilidade Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono OBSERVAÇÕES Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono Como os FoFos fundem –se a cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de produção é menor Em geral, os ferros fundidos são frágeis, que só resistem bem à compressão Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina Fe - CCC Fe - CCC Fe - CFC Fe - líquido 910°C 1400°C 1540°C Eixo esquerdo do diagrama: Ferrita ou ferro-: estável na temp. ambiente estrutura CCC Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C estrutura CFC Ferro-: estável entre 1400°C e 1540°C estrutura CCC Transformação polimórfica do ferro Cementita ou Carbeto de Ferro Composto intermetálico estequiométrico Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C Eixo direito do diagrama: Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Carbono impureza intersticial forma solução sólida com o ferro Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC Soluções sólidas Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C Material mole e dúctil Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32 kgf/mm2 Características das Soluções sólidas Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 6,67 Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C a 727°C Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar. Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C PERLITA PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita relativamente finas Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C Aspecto micrográfico de um ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. 200X DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Ataque: reativo de nital. 200X DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C Aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide resfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. 200X A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede. Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação dos aços Critérios: a) Quanto à composição química b) Quanto à aplicação c) Quanto à microestrutura d) Quanto ao processo de fabricação e) Quanto as marcas registradas f) Quanto as normas técnicas Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: - aços comuns (ao carbono) - aços especiais (ligas) Aços ao Carbono – propriedades – %C - não contém quantidade apreciável de elemento de liga - apresentam teores de impurezas – normais: P – 0,04% (max) S – 0,05% (max) Si – 0,10% e 0,35% Mn – 0,25% e 0,90% Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: Aços ao Carbono - Quanto ao teor de Carbono: - até 0,15% C – extra doce - 0,15% a 0,30% C – doce - 0,15% a 0,30% C – meio doce - 0,15% a 0,30% C – meio duro - 0,70% a 0,80% C – duro - acima de 0,80% C – extra duro baixo carbono médio carbono alto carbono Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) – contém um ou mais elementos de liga (além de Fe e C) - quantidades de elementos de liga – modificam ou melhoram substancialmente uma ou mais propriedades (físicas, mecânicas ou químicas) - Quanto ao teor de elementos de liga: - aços baixa liga – somatório dos elementos de liga (teores) é inferior a 5% - aços alta liga - somatório dos elementos de liga (teores) é superior a 5% Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) Objetivos dos elementos de liga: - aços baixa liga 1) Aumentar a dureza e a resistência mecânica 2) Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões 3) Diminuir o peso (consequência do aumento de resistência) - aplicações típicas: aços de construção - elementos de liga: Ni, Cr, V, Mo, Si e Mn Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: Aços especiais (ligas) – Objetivos dos elementos de liga: - aços alta liga 1) Conferir resistência à corrosão 2) Aumentar a resistência ao desgaste 3) Aumentar a resistência ao calor 4) Melhorar propriedades elétricas e magnéticas - aplicações típicas: ferramentas, matrizes, presençade corrosão e calor Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à composição química: - aços alta liga Compreendem: - aços rápidos e similares (ex. aços para matrizes) -requisito – dureza e manutenção desta em elevadas temperaturas - W – 0,10% a 25%; Cr, Co e C alto - aços resistentes à corrosão e ao calor - requisito – resistir à formação da camada de óxido em temp. amb ou elevada - Cr – 10 a 35%; Ni Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à aplicação: - aços de construção - componentes industriais - laminados à quente ou forjados (s/TT) – estruturas metálicas e peças em geral - c/TT em aços C – aços de elevada RM, aços para cementação e nitretação, aços para molas - aços para ferramentas e matrizes - compreendem: - aços ao C temperáveis em H2O - aços resistentes ao choque - aços para trabalho à frio e à quente Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à aplicação: - aços inoxidáveis e resistentes ao calor aços inoxidáveis aços refratários – resistência à fluência a quente - aços com características especiais - aços para imãs permanentes - aços para núcleos de transformadores - aços com coeficiente de dilatação definido martensíticos ferríticos austeníticos Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto à microestrutura: - ferríticos: não endurecíveis - perlíticos: baixa liga; podem ter ferrita ou cementita - austeníticos: 20% a 30% elementos de liga (Cr, Ni ou Mn), alta estabilidade da austenita - martensíticos: elementos de liga deslocam a curva TTT para a direita - cementíticos: alto teor de C, resultando alto teor de carbonetos Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto ao processo de fabricação: - Aços Bessemer (Henry Bessemer – 1855): O processo Chinês conhecido desde 200 d.C., promove a remoção de impurezas do ferro pela oxidação com ar soprado através do ferro fundido. A oxidação inclusive aumenta a temperatura da massa de ferro e a mantém em estado fundido. - aços LD ( Processo Linz-Donawitz ) - aços elétricos: aplicações magnéticas Aços alta liga e alta qualidade – obtidos em fornos elétricos Aços de conversores – qualidade inferior Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a marca registrada: são classificados com a identificação do fabricante e com codificação peculir a cada fabricante em particular Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira SAE - AISI – normas americanas DIN - norma alemã Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: ABNT – norma brasileira - NBR 6006 – classifica as aços-carbono e aços de baixo teor de liga – critérios adotados pela AISI e SAE Aços-carbono: %Si e %Mn não ultrapassam 0,6%Si e 1,65%Mn Também são considerados os teores: Max 0,1% Al, mín 0,0005%B, max 0,3%Cu ou max 0,35%Pb Se adicionados elementos como Se, Te, Bi (melhoram usinabilidade) e Nb ainda são aços-carbono. Aços-liga: possuem outros elementos de liga Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE – Society of Automotive Engineers AISI – American Iron and Steel Institute UNS – Unifield Numbering System Letras XX ou XXX – cifras indicadoras dos teores de carbono Ex.: classe 1023 – AISI-SAE – aço carbono com 0,23% C G10230 – UNS – mesmo teor de carbono Designações coincidem Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro elemento de liga, como Ni e Cr, além do C. 10 – aço ao carbono 11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre 40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: SAE-AISI Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços Classificação quanto a Normas Técnicas: DIN Critérios diferenciados: DIN 17100 – “aços para construção em geral” – Ex.: em função do limite de resistência à tração: St 42 – aço com limite de resist. à tração entre 42 e 50 kgf/mm2 St 60 – limite de resistência à tração entre 60 e 72 kgf/mm2 DIN 17200 – classificação de acordo com a composição química C35 – aço-carbono com 0,35% C Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga Distribuição dos elementos de liga em aços ligados modo de distribuição: tendência de cada elemento em formar compostos e carbonetos Ni – dissolve-se na ferrita do aço – tem menor tendência em formar carbonetos do que o ferro Si – combina-se em pequena quantidade com o oxigênio presente no aço – forma inclusões não metálicas De modo geral, dissolve-se na ferrita Mn – a maior parte dissolve-se na ferrita; alguma quantidade pode formar carbonetos e e entrar usualmente na cementita formando (Fe, Mn)3C Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga Distribuição dos elementos de liga em aços ligados Cr – tem maior tendência em formar carbonetos do que o ferro; distribui-se entre as fases ferrita e carbonetos depende da quantidade de carbono e ausência de elementos formadores de carbonetos como Ti e Nb W e Mo – combinam-se com o carbono, formando carbonetos se a quantidade de carbono for suficiente e se não estiverem presentes elementos como Ti e Nb Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga Distribuição dos elementos de liga em aços ligados Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Elementos de liga podem provocar aumento ou diminuição da temperatura eutetóide do diagrama Fe-C Mn e Ni – baixam a temperatura – elementos estabilizadores da austenita W, Mo e Ti – aumentam a temperatura – reduzem o domínio austenítico Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços Efeito de 6% de manganês na porção eutetóide de um diagrama de fases Fe - Fe3C Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Corrosão – ataque gradual e contínuo de um metal pelo meio circunvizinho que pode ser atmosfera contaminada das cidades atmosferas contaminadas de cloretos em regiões próximas ao mar meio químico qualquer: líquido ou gasoso É uma tendência à reversão a formas mais estáveis como se encontram na natureza (minérios) Praticamente todos os ambientes são corrosivos, em maior ou menor grau: - água - solo - gases - solos Efeitos da corrosão - má aparência - altos custos de operação e manutenção - colapso de peças ou instalações - perdas de produtos de explosão Materiais para Construção Mecânica Aços InoxidáveisMateriais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Velocidade de corrosão típicas em diversos aços em águas tropicais Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Guia de prevenção de corrosão de aços-carbono em alguns ambientes Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas – Curva: penetração da oxidação em cubos de ½” aquecidos durante 48h a 1000ºC ao ar. Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Efeito do teor de carbono sobre a corrosão de aço inoxidável 18-8 tratado termicamente de modo a produzir a máxima precipitação de carbonetos Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância Passividade – propriedade típica de certos metais e ligas em permanecerem inalterados no meio circunvizinho Admite-se que é resultado da formação de uma camada de óxido quando o metal é exposto ao meio agressivo Pode-se tornar um aço passivo com a adição de elementos, principalmente o Cr - camada de óxido de cromo de espessura inferior a 0,02m confere res. à corrosão - aços tornados passivos pela adição Cr – aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis PASSIVIDADE depende: 1. Composição química 2. Condições de oxidação 3. Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting) 4. Susceptibiliade à corrosão intergranular Composição química: Cr – elemento mais importante 10% para atingir a passividade 20% a 30% - passividade completa Ni – melhora a resistência à corrosão em soluções neutras de cloretos ou ácidos pouco oxidantes - melhora propriedades mecânicas - teores mínimos: 6% a 7% Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Composição química: Cu, Mo, Si – conferem resistência à temperaturas elevadas Ti, Nb – para evitar corrosão intergranular Condições de oxidação A velocidade de ataque depende da capacidade oxidante do meio - meios oxidantes – tornam a liga passiva - meios redutores – destroem a liga Aços inoxidáveis: suportam bem o HNO3 são atacados pelo HCl e HF Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting): São sujeitos a corrosão em pontos que, uma vez iniciada, progride em profundidade, chegando a causar orifícios que podem perfurar o metal - causada pelo íon Cl- - aço inoxidável – atacado por HCl, cloretos (Fe, Cu, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos) ou até atmosfera salina Proteção: - adição de Mo - bom acabamento superficial - passivação em HNO3 – 20% à quente - tratamento térmico correto Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Susceptibilidade à corrosão intergranular: - aços inoxidáveis austeníticos – aquecidos entre 400ºC a 900ºC, (mesmo por segundos): podem apresentar precipitação de carbonetos de Cr nas regiões do contorno de grão - regiões adjacentes – empobrecidas em Cr – sensitizado - material sensitizado – sujeito à corrosão intergranular Proteção: - Reaquecimento a 950-1150ºC c/ resfriamento rápido – redissolução dos carbonetos - Teor de C inferior a 0,03% (torna-se ineficaz na formação dos carbonetos) - Aços estabilizados com Ti ou Nb – maior afinidade com o C Provoca a desintegração total da peça após exposição em solução corrosiva Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Outros fatores - Condição da superfície - fissuras - fenômeno de natureza galvânica - corrosão sob tensão (CST) Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis Classificação dos aços inoxidáveis – Microestrutura à temperatura ambiente i) Martensíticos – endurecíveis – Fe, C e Cr ii) Ferríticos – não endurecíveis – Fe, C e Cr iii) Austeníticos – não endurecíveis – Fe, C, Cr e Ni Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis MARTENSÍTICOS Cr – 11,5% a 18% Tornam-se martensíticos e endurecem por têmpera Características: - Ferromagnéticos - Trabalháveis à frio e a quente - Não sofrem corrosão intergranular - Resistência moderada à corrosão (aumenta o %C, deve-se aumentar %Cr) - Alta dureza e resistência à quente - Têmpera melhora a resistência à corrosão – evita precipitação por carbonetos Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis martensíticos Tipos de aços: 1) Tipo turbina: até 0,2%C boas prop. Mecânicas e resistência à corrosão relativamente elevada SAE ou AISI – 403, 410, 416, 431 Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis martensíticos Tipos de aços: 2) Tipo cutelaria: 0,2% a 0,6%C dureza satisfatória e razoável ductilidade SAE ou AISI – 420, 420F 3) Tipo resistente ao desgaste: %C > 0,6% alta dureza e ductilidade reduzida SAE ou AISI – 440A, 440B, 440C Exemplos de Aplicações: - Lâminas de turbina e compressor - Eixos de bombas - Parafusos, buchas, válvulas, porcas - peças p/aviões e indústria laticínios - instrumentos cirúrgicos e dentários - mancais de esfera Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis FERRÍTICOS Cr – 11% a 27% %C < 0,35% - Estrutura inteiramente ferrítica para qualquer velocidade de resfriamento - Não ocorrem mudanças de fases – formação grãos grosseiros – refino grão deformação à quente (raramente possível) - Adição de Ti – diminui essa tendência - Melhor resistência à corrosão entre os aços-Cr Características: - Ferromagnéticos - Trabalháveis à frio e a quente - Resistência à corrosão sob tensão e atmosférica - Boa soldabilidade - Baixa dureza - Baixa resistência ao choque Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis ferríticos Tipos de aços: SAE ou AISI – 406, 409, 430, 442, 443, 446 Aplicações: - Tubos de radiadores - caldeiras - sistemas de exaustão de automóveis - equipamentos p/indústria química e cozinha - partes de fornos e queimadores Materiais para Construção Mecânica Aços Inoxidáveis AUSTENÍTICOS Cr – 16% a 26% Ni – 6% a 22% Características: - Não magnéticos - Não endurecíveis (austeníticos) - Dureza – aumentada por encruamento (instabilidade austenita e tensões de encruamento - Reaquecimento do aço em temperaturas moderadas restaura a austenita - Susceptíveis corrosão intergranular (Ti e Nb – evitar a corrosão) - Resistência à corrosão superior - AUSTENITIZAÇÃO – aquec. ~1000º - 1200ºC – resfriamento rápido à temp. amb. Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis austeníticos Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aços inoxidáveis austeníticos (cont.) Tipos de aços: SAE ou AISI – 301, 302, 304, 321, 347, 316, 317, 309, 310 Aplicações: - ornamentação - utensílios domésticos - equip. p/indústria química - equip. p/indústria de alimentos - implantes cirúrgicos - eletrodos de solda - peças de forno e estufa Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Aspectomicrográfico de aço inoxidável austenítico tipo 18-8, mostrando zona superficial de corrosão intergranular. Sem ataque. 100x. Núcleo não corroído do mesmo aço. Verifica-se estrutura normal de aço inoxidável austenítico. Ataque: percloreto de ferro. 100X. Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis Aços Inoxidáveis Seleção de ligas inoxidáveis de alta tecnologia
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