Aula Materiais metálicos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS
FACULDADE DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE MARABÁ
Prof. Jailes de Santana Moura
jailesmoura@hotmail.com
Marabá - 2015
MATERIAIS METÁLICOS
1
EMENTA
Disciplina: Materiais metálicos
Carga horária: 68 horas
Assuntos:
Principais ligas metálicas: ligas de alumínio, ligas de cobre, ligas de magnésio, ligas de titânio, metais preciosos, metais refratários, aços e ferros fundidos, aços inoxidáveis; 
Ligas de alta resistência mecânica;
Mecanismos de endurecimento por solução sólida e precipitação;
Ligas resistentes à corrosão;
Ligas para aplicações em alta temperatura;
Compósitos de matriz metálica;
Propriedades mecânicas dos metais.
Metalografia: teoria e prática
2
PLANO DE AULA
Método de avaliação: Serão realizadas duas provas e um seminário. Além disso, avaliações não programadas (testes) podem ser solicitadas.
Os conceitos serão atribuídos a cada aluno(a) conforme a seguir:
I - Excelente (EXC) = 10,0 a 9,0
II - Bom (BOM) = 8,9 a 7,0
III - Regular (REG) = 6,9 a 5,0
IV - Insuficiente (INS) = 4,9 a 0
O conceito final (CF) será dado por:
CF = (P1 + P2 + S1)/3
P1 – Prova 1;
P2 – Prova 2;
S1 – Seminário 1.
3
REFERÊNCIAS
Chiaverini, V.: Tecnologia Mecânica, 2a edição, McGraw-Hill, Rio de Janeiro, 1986.
Bottrel Coutinho, C.: Materiais Metálicos para Engenharia, Fundação Christiano Ottoni, Belo Horizonte, 1992.
Chiaverini, V.: Aços e Ferros Fundidos, 7a edição, Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2005.
Bresciani Filho, E.T.: Seleção de Materiais Metálicos, 2a edição, Unicamp, Campinas, 1988.
Brick, R.M., Pense, R.W., Gordon, R.B.: Structure and Properties of Engineering Materials, McGraw-Hill, New York, 1977. Shackelford, J.F.: Introduction to Materials Science for Engineers, Person Prentice Hall, New Jersey, 2005.
Callister Jr., W.D.: Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução, LTC, Rio de Janeiro, 2002.
Askeland, D.R., Phulé, P.P.: The Science and Engineering of Materials, Thomson Brookc/Cole, Pacific Grove, 2003.
Smith, W.F.: Foundations of Materials Science and Engineering, third edition, McGraw-Hill, Boston, 2004.
Van Vlack, L.H.: Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, quarta edição, Campus, São Paulo, 1984.
Higgins, R.A.: Propriedades e Estruturas dos Materiais de Engenharia, Difel, São Paulo, 1982.
4
HISTÓRIA DO AÇO
5
6
CARACTERIZAÇÃO DOS METAIS
7
INTRODUÇÃO
O controle de qualidade de um produto metalúrgico pode ser estrutural e dimensional. 
8
INCLUSÕES
São pequenas partículas dispersas na matriz metálica.
São prejudiciais quando:
Segregadas (distribuídas de forma heterogênea);
em alta quantidade; 
maior tamanho;
duras e frágeis (carbonetos e nitretos);
de forma alongadas (trabalho mecânico) – acarretam propriedades anisotrópicas. 
9
INCLUSÕES
São menos prejudiciais quando:
distribuídas de forma homogênea;
menor quantidade; 
menor tamanho;
menos duras e frágeis (grafita e chumbo);
de forma esférica.
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INCLUSÕES
A sua origem pode ser classificada como: 
Exógenas
Endógenas
Em relação a sua composição química podem ser:
Não metálicas
Metálicas
E também podem ser classificadas como:
Desejáveis
Indesejável
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METALOGRAFIA
A apropriada preparação de amostras para análise metalográfica, para a caracterização dos materiais metálicos requer que um rígido procedimento seja seguido.
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Macrografia
O exame macrográfico verifica o aspecto de uma superfície após devidamente polida e atacada por um reagente adequado. Por seu intermédio tem-se uma ideia do conjunto, referente à homogeneidade do material, a distribuição e natureza das falhas, impureza e ao processo de fabricação.
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O trilho rompeu em serviço
Micrografia
Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio, onde se pode observar e identificar algumas características dos metais como a granulação do material, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos constituintes ou de certas inclusões.
14
Aço Hipoeutetóide 1020 Normalizado
CORPO DE PROVA
Parte do material ou produto com forma e dimensões especifica da superfície a ser analisada podendo esta ser embutida ou não.
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Corpo de prova não embutido
É o corpo de prova cujas dimensões da superfície a analisar são suficientemente grandes a ponto de não ser necessário o embutimento.
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Corte
Às vezes é necessário particionar o corpo de prova para obterem-se amostras que servirão para análise metalográfica. Operações mecânicas como torneamento aplainamento e outras, impõem severas alterações microestruturais devido ao trabalho mecânico a frio.
O corte abrasivo oferece a melhor solução para seccionar o material.
17
Corte
O equipamento utilizado para o corte é conhecido como policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados.
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Corte
A escolha e localização da seção a ser estudada dependem basicamente da forma da peça e dos dados que se deseja obter ou analisar a mesma.
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Corte
O corte longitudinal permite verificar: 
Se a peça é fundida, forjada ou laminada; 
Se a peça foi estampada ou torneada; 
A extensão de tratamentos térmicos superficiais, etc. 
O corte transversal permite verificar: 
A natureza do material; 
A homogeneidade; 
A forma e dimensões das dendritas; 
A profundidade de têmperas, etc. 
20
Corte
Defeitos
Causas
Quebra do disco
Disco de corte indicado para velocidades menores que 3400 RPM.
Velocidade de avanço excessiva do disco de corte.
Disco de corte pressionado excessivamente contra a amostra.
Sujeição (fixação) deficiente do disco de corte.
Fixação inadequada da amostra.
Refrigeração irregular causando entupimento das cânulas
Disco de corte muito duro.
Aquecimento excessivo
Refrigeração insuficiente
Baixa velocidade do disco de cote.
Inadequação do disco de corte.
Refrigeração insuficiente
Baixa velocidade do disco de corte.
Inadequação do disco de corte.
Disco de corte muito mole
Refrigeração irregular causada pelo entupimento das cânulas.
Rolamentos defeituosos
Sujeição deficiente do disco de corte
Formação de rebarbas
Disco de corte muito duro
Disco de corte com granulometria muito grossa.
Corte efetuado muito rápido
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Os principais problemas observados nas operações de corte e as principais causas.
Embutimento
A montagem da amostra é realizada para facilitar o manuseio de peças pequenas. O embutimento consiste em circundar a amostra com um material adequado, formando um corpo único. O embutimento pode ser a frio e a quente, dependendo das circunstâncias e da amostra a ser embutida.
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Embutimento a frio 
A frio, quando se usam resinas sintéticas de polimerização rápida. Este embutimento é feito com resinas auto polimerizáveis, as quais consistem geralmente de duas substâncias formando um líquido viscoso quando misturadas. 
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Resina e catalizador utilizados no embutimento a frio 
Embutimento a frio 
24
Embutimento a frio de uma amostra dentária.
Embutimento a quente 
Quando a amostra é embutida em materiais termoplásticos por meio de prensas, utilizando-se pressão e aquecimento para efetuar a polimerização. 
O método consiste em colocar o corpo de prova com a face que se quer analisar em contato com o êmbolo inferior da máquina de embutimento. 
25
 Embutimento a quente 
Prensa de embutimento, baquelite e desmoldante. 
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Tipo de plástico
Cor
Pressão
(Kgf/mm2)
Tempo de
Aquecimento
(min)
Tempo de
Resfriamento
(min)
Baquelite
Preta
125 a 150
10
5
Lucite
Transparente
125 a 150
8
4
Parâmetros para embutimento a quente, na prensa hidráulica do laboratório. 
LIXAMENTO
Operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a
para o polimento. 
Existem dois processos de lixamento: manual (úmido ou seco) e automático.
 
27
LIXAMENTO 
A sequência mais adequada de lixas para o trabalho metalográfico com aços é 100, 220, 320, 400, 600 e 1200. 
Para se conseguir um lixamento eficaz é necessário o uso adequado da técnica de lixamento. 
28
 Representação esquemática do método de lixamento com trabalho em sentidos alternados.
LIXAMENTO 
Fatores que podem dar uma imagem falseada da amostra, por isso é importante ter os seguintes cuidados: 
Escolha adequada do material de lixamento em relação à amostra e ao tipo de exame final (o que se quer analisar); 
A superfície deve estar rigorosamente limpa, isenta de líquidos e graxas que possam provocar reações químicas na superfície; 
Riscos profundos que surgirem durante o lixamento deve ser eliminado por novo lixamento; 
Metais diferentes não devem ser lixados com a utilização da mesma lixa. 
29
Lixa
Geralmente, para os trabalhos metalográficos as lixas utilizadas têm como grão abrasivo o óxido de alumínio, em casos especiais, são utilizados o diamante e o carbeto de boro.
A granulometria é relatada em números. Portanto, o número de grãos abrasivos é definido pela quantidade de grãos mais grossos que passam na malha de uma peneira na área de uma polegada.
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POLIMENTO
Operação pós lixamento que visa um acabamento superficial polido isento de marcas, utiliza para este fim pasta de diamante ou alumina.
Antes de realizar o polimento deve-se fazer uma limpeza na superfície da amostra, de modo a deixá-la isenta de traços abrasivos, solventes, poeiras e outros. 
31
Polimento mecânico
É quando o mesmo é realizado através de uma Politriz. 
Pode ser manual, quando a amostra é trabalhada manualmente no disco de polimento e automática quando as amostras são lixadas em dispositivos especiais e polidas sob a ação de cargas variáveis.
O agente polidor pode ser de diamante ou de alumina.
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Pasta de diamante
Alumina	
Polimento mecânico
Cuidados que devem ser observados no polimento:
A superfície deve estar rigorosamente limpa; 
A escolha adequada do material do polimento; 
Evitar polimentos demorados; 
Nunca polir amostras diferentes sobre o mesmo pano de polimento (por causa da diferença de dureza entre elas, um pequeno cavaco da amostra mais dura irá riscar a mais macia); 
Evitar fricção excessiva; 
Evitar pressão excessiva sobre a amostra. (aplicar um pouco mais que o próprio peso da amostra). 
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ATAQUE QUÍMICO
Seu objetivo é permitir a identificação (visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. 
Um reagente ácido é colocado em contato com a superfície da peça por certo tempo. O reagente causará a corrosão da superfície. Os reagentes são escolhidos em função do material e dos constituintes macroestruturais que se deseja contrastar na análise metalográfico microscópica.
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ATAQUE QUÍMICO
A superfície da amostra, quando atacada por reagentes específicos, sofre uma série de transformações eletroquímicas baseadas no processo de óxido-redução, cujo aumento do contraste se deve ás diferenças de potencial eletroquímico. 
São formadas células locais onde os constituintes quimicamente pobres atuam como um ânodo, reagindo com o meio de ataque de maneira mais intensa que os mais nobres. 
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ATAQUE QUÍMICO
Métodos de ataque químico
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Método
Descrição e notas
Ataque por imersão
A superfície da amostra é imersa na solução de ataque; o método mais usado.
Ataque por gotejamento
A solução de ataque é gotejada sobre a superfície da amostra.
Ataque por lavagem
A superfície da amostra é enxaguada com a solução de ataque. Usado em casos de amostras muito grandes ou quando existe grande desprendimento de gases durante o ataque.
Ataque alternativo por imersão
A amostra é imersa alternadamente em duas soluções. As camadas oriundas do ataque com a primeira solução são removidas pela ação do segundo reagente.
Ataque por esfregação
A solução de ataque, embebida em um chumaço de algodão ou pano, é esfregada sobre a superfície da amostra, o que serve para remover as camadas oriundas da reação.
ATAQUE QUÍMICO
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Designaçãometalográfica
Composição
Aplicação
Cloreto de cobre-amônio em meio amoniacal
10g cloreto de cobre-amônio
120 ml água destilada
Amoníaco até dissolver o precipitado
Reativo p/ micrografia de múltipla aplicação para ligas de cobre
Cloreto de ferro III
5g cloreto de ferro III
30 ml ácido clorídrico concentrado
100 ml de água destilada
Reativo para micrografia de superfícies de grãos em liga de cobre.
Água oxigenada +
Amoníaco
1 parte de água oxigenada a 3%
1 parte de amoníaco
Reativos para micrografia de contornos dos grãos de cobre.
Lixívia de solda
10g hidróxido de sódio
90 ml água destilada
Reativo universal para micrografia de ligas de alumínio
Água Régia
8 ml ácido nítrico concentrado
12 ml ácido clorídrico concentrado
1000 ml álcool etílico
Reativo p/ micrografia de aços inoxidáveis e outros aços de alta liga.
Reativos utilizados para ataque químico 
ATAQUE QUÍMICO
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Designaçãometalográfica
Composição
Aplicação
Nitala 3%
97 ml álcool etílico
3 ml ácido nítrico concentrado
Reativo p/ micrografia de aço e ferro não ligado e de baixa liga, metal branco, ligas de magnésio. Também para aços de alta liga com estruturamartensítica.
Nitala 10%
90 ml de álcool etílico
10 ml de ácido nítrico concentrado
Em ataques microscópicos de ação profunda para tornar visível constituintes especiais da estrutura em aços e ferros (carbonetos,eutéticofosforoso) não ligados e de baixa liga. Em casos isolados também como reativo p/ microscopia de alta liga. Emmacroscopiap/ camadascementadasrespectivamente profundidade de endurecimento.
Picratode sódio em meio alcalino (Picral)
25g hidróxido de sódio
75 ml água destilada
2g ácido pícrico
Revelação decementita
Reativos utilizados para ataque químico 
ATAQUE QUÍMICO
Defeitos mais usuais durante os ataques
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Defeito
Consequência
Causa
Correção
Pits
Ataque localizado
Soluçãomuito forte
Tempo demasiado
Falta de agitação na solução
Nova preparação +
Escolha de outro ataque(menos forte)
Manchas
Bolhas
Sujeitadepositada
Falta de agitação
Máescolha do modo de ataque
Nova preparação +
Novoataque
Superataque
Escurecimentoda superfície
Solução muitoforte
Tempo demasiado
Nova preparação +
Diluiçãodo reativo químico
Subataque
Não aparecimentoda estrutura
Solução muito fraca
Pouco tempo
Continuaçãodo ataque
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
40
INTRODUÇÃO
POR QUE ESTUDAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS?
41
INTRODUÇÃO
O comportamento mecânico de um material reflete a relação a sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são,
Resistência;
Dureza;
Ductilidade;
Rigidez.
42
Como determinar as propriedades mecânicas?
A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.
Utiliza-se normalmente corpos de prova;
Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
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Normas técnicas
As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:
ASTM (American Society for Testing and Materials);
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).
44
Classificação para os ensaios mecânicos
i) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça;
Tração, dureza, fadiga, fluência, torção, flexão, impacto, tenacidade à fratura, compressão.
 
ii) Não-destrutivos: não comprometem a integridade da peça;
Raios-X, raiox-y, ultra-som, partículas magnéticas, líquidos penetrantes, microdureza.
i) Estáticos: carga aplicada lenta (estados de equilíbrio);
Tração, compressão, dureza, torção, flexão.
ii) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente;
Fadiga e impacto.
iii) Carga constante: carga aplicada durante
um longo período;
Fluência.
Quanto a integridade
Quanto a velocidade
45
45
ENSAIO DE TRAÇÃO
Uma amostra é deformada, geralmente até a sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.
46
ENSAIO DE TRAÇÃO
47
ENSAIO DE TRAÇÃO
48
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
O grau no qual uma estrutura se alonga ou se deforma depende da magnitude da tensão que lhe é imposta.
σ = Eє
Essa relação é conhecida como a lei de Hooke, e a constante de proporcionalidade E (GPa) é o módulo de elasticidade ou módulo de Young.
49
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais é chamada de deformação elástica.
50
Deformação
Tensão
Coeficiente angular = módulo de elasticidade
A deformação elástica não é permanente.
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Módulo de elasticidade ou Young
Pode ser considerado como sendo a rigidez ou a resistência do material à deformação elástica.
Quanto maior for o módulo, mais rígido será o material, ou menor será a deformação elástica que irá resultar da aplicação de uma dada tensão.
51
Liga metálica
Módulode elasticidade (GPa)
Coeficiente de Poisson
Aço
207
0,30
Alumínio
69
0,33
Cobre
110
0,34
Latão
97
0,34
Magnésio
45
0,29
Níquel
207
0,31
Tungstênio
407
0,28
Módulo de elasticidade
Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e no alongamento das ligações interatômicas. Esse módulo é proporcional à inclinação da curva força interatômica-separação interatômica.
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Anelasticidade
Foi considerado que a deformação elástica é independente do tempo, ou seja, que uma tensão aplicada produz uma deformação elástica instantânea, que permanece durante o período de tempo em que a tensão é mantida, e que ao liberar a carga a deformação é totalmente recuperada.
Para a maioria dos metais, a deformação elástica permanecerá após a aplicação da tensão, e com a liberação da carga será necessário um tempo finito para que ocorra a completa recuperação.
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EXERCÍCIO 1
Um pedaço de cobre (E = 110 GPa) originalmente com 305 mm de comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante?
54
Propriedade elástica do material
55
EXERCÍCIO 2
Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo referente ao comprimento de um bastão cilíndrico de latão, que possui diâmetro de 10 mm. Determine a magnitude da carga exigida para produzir uma alteração de 2,5 x 10-3 mm no diâmetro. A deformação é puramente elástica.
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TRABALHO
Resumo sobre:
Ensaio de compressão;
Ensaio de cisalhamento;
Ensaio de torção.
Entrega: 04/09
57
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Para a maioria dos materiais metálicos, o regime de deformação elástica persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,005. 
Na medida em que o material é deformado além desse ponto, a tensão não é mais proporcional a deformação e ocorre a deformação permanente, não recuperável, ou deformação plástica.
58
Limite de escoamento
A maioria das estruturas é projetada para assegurar que ocorrerá apenas deformação elástica quando uma tensão é aplicada. Uma estrutura que se deformou plasticamente, ou que sofreu uma mudança permanente na forma, pode não ser capaz de funcionar como programado.
Torna-se, então, desejável conhecer o nível de tensão no qual a deformação plástica tem seu início, ou onde ocorre o fenômeno de escoamento.
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Limite de resistência a tração
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica nos metais aumenta até um valor máximo, o ponto M na figura, e então diminui até uma eventual fratura do material.
Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá a fratura.
60
Ductilidade
61
Ductilidade
62
Deformação
Tensão
Dúctil
Frágil
Tensão-deformação
Várias propriedades mecânicas importantes dos metais podem ser determinadas a partir de ensaios tensão-deformação em tração.
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Liga metálica
Limite de escoamento (MPa)
Limite de resistênciaa tração (MPa)
Ductilidade (%AL)
Alumínio
35
90
40
Cobre
69
200
45
Latão(70Cu-30Zn)
75
300
68
Ferro
130
262
45
Níquel
138
480
40
Aço (1020)
180
380
25
Titânio
450
520
25
Molibdênio
565
655
35
Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido.
Efeito da temperatura
64
Tensão (MPa)
Deformação
Comportamento tensão-deformação para o ferro em três temperaturas
Resiliência
A resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com a remoção da carga, permitir a liberação dessa energia.
A propriedade associada é o módulo de elasticidade, Ur , que é a energia de deformação por unidade de volume necessária para submeter um material à tensão, desde um estado com ausência de carga até o ponto de escoamento.
65
Resiliência
66
0,002
Deformação
Tensão
Tenacidade
É a habilidade de um material absorver energia até a sua fratura.
Fatores importantes na determinação da tenacidade:
Carregamento dinâmico;
Carregamento estático.
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Deformação
Dúctil
Frágil
Tensão
Dureza
Consiste em uma medida de resistência de um material a uma deformação plástica localizada (p.ex., a uma pequena impressão ou a um risco).
Curiosidade
Os primeiros ensaios de dureza foram baseados em minerais naturais, como uma escala construída unicamente em função da habilidade de um material riscar um outro material mais mole.
Denominado escala Mohs, que varia desde 1, para o talco, no início de baixa dureza da escala, até 10, para o diamante.
68
Dureza
Os ensaios de dureza são realizados mais frequentemente do que qualquer outro ensaio mecânico, por diversas razões: 
Eles são simples e baratos – normalmente, nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado e o equipamento de ensaio é relativamente barato.
O ensaio é não-destrutivo – o corpo de prova nem é fraturado e nem excessivamente deformado; uma pequena impressão é a única deformação.
Outras propriedades mecânicas podem, com frequência, ser estimadas a partir dos dados de dureza, tal como o limite de resistência a tração.
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Técnicas de ensaios de dureza
70
Ensaios de dureza Rockwell
Os penetradores incluem esferas de aço endurecidas, com diâmetros de 1,588, 3,175, 6,350 e 12,70 mm, e além de um penetrador cônico de diamante (brale), usado para os materiais mais duros.
Ensaio Rockwell;
Ensaio Rockwell superficial.
Realizado com frequência para corpos de provas mais finos.
71
Ensaios de dureza Rockwell
72
Escala de DurezaRockwell
Escala de DurezaRockwellSuperficial
Símbolo
Penetrador
Carga principal
Símbolo
Penetrador
Carga principal
A
Diamante
60 kg
15N
Diamante
15 kg
B
Esferacom 1,588 mm
100 kg
30N
Diamante
30 kg
C
Diamante
150 kg
45N
Diamante
45 kg
D
Diamante
100 kg
15T
Esferacom 1,588 mm
15 kg
E
Esfera com 3,175 mm
100 kg
30T
Esferacom 1,588 mm
30 kg
F
Esferacom 1,588 mm
60 kg
45T
Esferacom 1,588 mm
45 kg
G
Esferacom 1,588 mm
150 kg
15W
Esfera com 3,175 mm
15 kg
H
Esfera com 3,175 mm
60 kg
30W
Esfera com 3,175 mm
30 kg
K
Esfera com 3,175 mm
150 kg
45W
Esfera com 3,175 mm
45 kg
Ensaio de dureza Brinell
Nos ensaios de dureza Brinell um penetrador esférico e duro é forçado contra a superfície do metal a ser testado.
Diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou de carbeto de tungstênio) – 10 mm.
As cargas – 500 e 3000 kg, essa carga é mantida constante por um tempo especificado (entre 10 e 30s).
Os materiais mais duros exigem a aplicação de cargas maiores.
O número de dureza Brinell, é representado por HB.
73
Ensaios de dureza Rockwell e Brinell
Tanto para ensaios de dureza Rockwell e Brinell, imprecisões também resultam se o corpo de prova for muito fino, e se uma impressão é feita muito próxima a aresta da amostra ou se são feitas duas impressões muito próximas uma da outra.
74
Ensaios
de Microdureza Knoop e Vickers
São designados como métodos de ensaios de microdurezas, devido ao tamanho do penetrador. 
Ambos são bem adequados para a medida da dureza em regiões pequenas e selecionadas de um corpo de prova.
O método Knoop é usado para o ensaio de materiais frágeis.
Para o ensaio um penetrador de diamante muito pequeno e com geometria piramidal é forçado contra a superfície do corpo de prova.
As cargas varia entre 1 e 1000g;
Os números de dureza Koop e Vickers são designados por HK e HV, respectivamente.
75
76
Comparação entre várias escalas de dureza.
AÇOS E FERROS FUNDIDOS; MECÂNISMO DE ENDURECIMENTO POR SOLUÇÃO SÓLIDA E PRECIPITAÇÃO
77
DIAGRAMA FERRO-CARBONO
78
Perlita (aço eutetóide)
79
Perlita e cementita (aço hipereutetóide)
80
Perlita e ferrita (aço hipoeutetóide)
81
82
83
84
AÇOS E FERROS FUNDIDOS
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AÇOS
Grande quantidade de aços ligados.
Os aços podem ser classificados em grupos, em base de propriedades comuns:
Composição: aços-carbono e aços-liga;
Processo de acabamento: aços laminados a quente ou a frio;
Forma do produto acabado: barras, chapas, grossas, chapas finas, tiras, tubos ou perfis estruturais.
Aços baixo carbono: até 0,20%;
Aços médio carbono: de 0,20 até 0,50%;
Aços alto carbono: acima de 0,50%;
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AÇOS
Normas:
SAE; AISI; ASTM (americanos);
DIN (alemão);
ABNT (brasileiro).
1020: aço carbono com teor médio de 0,20% C;
1045: aço carbono com teor médio de 0,45% C;
2120: Aço ao “S” com teor médio de 0,20% C;
5140: Aço ao “Cr” com 0,70% a 0,90% Cr e 0,40% C;
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AÇOS
Sistemas SAE, AISI e UNS de classificação dos aços
88
AÇOS
Sistemas SAE, AISI e UNS de classificação dos aços
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TRABALHO 2
Resumo sobre:
Classificação dos aços.
No máximo duas folhas, escrito a mão!
Entrega: 11/09
90
AÇOS
Efeito do “C”: Dureza;
Efeito de “Si”: De 0,15% a 0,20% desoxidante;
Efeito do “Mn”: De 0,30% a 0,60% desoxidante e dessulfurante;
Efeito do “F” e “S”: Elementos nocivos;
Efeito do “Ni”: Resistência a corrosão e refino de grão;
Efeito do “Cu”: Resistência a corrosão atmosférica;
Efeito do “Cr”: Resistência ao desgaste;
Efeito do “Mo”: Temperaturas elevadas.
91
AÇOS
Efeitos dos elementos de ligas nos aços:
Propriedades mecânicas;
Aumentar a usinabilidade;
Aumentar a temperabilidade;
Aumentar a soldabilidade;
Conferir dureza ao material;
Aumentar a capacidade de corte;
Conferir resistência ao desgaste;
Conferir resistência a corrosão;
Conferir resistência ao calor;
Obter características elétricas e térmicas.
92
AÇOS
93
AÇOS
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AÇOS
Ação relativa de alguns elementos de liga que se dissolvem na ferrita, no sentido de aumentar a sua dureza. 
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AÇOS
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AÇOS
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AÇOS
Tipos de aços:
Aços para fundição;
Aços estruturais;
Aços para chapas;
Aços para tubos;
Aços para arames, fios e molas;
Aços de usinagem fácil;
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Aços para fundição
São recomendados para fundição de peças empregadas em máquinas operatrizes, indústria automobilística, indústria ferroviária, indústria naval, implementos agrícolas, tratores, equipamento para escavação e construção, etc.
Os requisitos exigidos nos aços para fundição são homogeneidade, granulação fina e regular e completa isenção de tensões. Além disso, propriedades mecânicas adequadas, as quais vão depender da maior ou menor responsabilidade das aplicações e são reguladas pelo o teor de carbono, eventual adição de elementos de liga e apropriado tratamento térmico.
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Aços para fundição
Os aços para fundição podem ser classificados nos seguintes grupos:
Aços baixo carbono: até 0,20%;
Aços médio carbono: de 0,20 até 0,50%;
Aços alto carbono: acima de 0,50%;
Aços liga de baixo teor em liga (soma das ligas inferior a 8%);
Aços liga de alto teor em liga (soma das ligas acima de 8%).
100
Aços estruturais
São aços empregados principalmente em construção civil e, em equipamentos de transporte: veículos em geral, equipamento rodoviário, ferroviário, naval, etc.
Nessas aplicações, alguns requisitos fundamentais são:
Baixo custo;
Resistência mecânica;
Deformabilidade;
Soldabilidade;
Relação adequada resistência/peso.
Tipos: aços-carbono, aços de alta resistência e baixo teor de liga.
101
Aços para chapas
Esses materiais necessitam de: 
elevada deformabilidade ou ductilidade, ainda que com prejuízo da resistência mecânica; 
soldabilidade adequada; 
superfície sem defeito; 
baixo custo.
Composição química:
Carbono – 0,05 a 0,55%
Manganês – 0,15 a 1,50%
Silício – 0,30 a 0,50%
Fósforo e enxofre – 0,05% máx.
102
Aços para chapas
A expressão “chapa” compreende uma série de produtos, todos importantes na indústria.
A ABNT, pela sua P-TB-20 de 1968, assim distingue os vários produtos laminados planos de aço:
Folha – produto plano com espessura inferior a 0,30 mm e qualquer largura;
Tira – produto plano com espessura compreendida entre 0,30 mm e 5,0 mm e largura inferior a 300 mm;
Chapa fina – produto plano com espessura compreendida entre 0,30 mm e 6,00 mm e largura igual ou superior a 300 mm;
Barra chata – produto plano com espessura superior a 5,0 mm e largura 	inferior a 300 mm;
Chapa grossa – produto plano com espessura superior a 5,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm.
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Aços para tubos
Os aços para tubos são geralmente de baixo carbono (no máximo 0,30%) e manganês (no máximo 1,5%).
Em aplicações a temperaturas elevadas, costuma adicionar cromo (0,5 – 10%) e molibdênio (0,45 – 1,1%).
Os tubos são produzidos essencialmente por dois processos:
A partir de tarugos cheios, adequadamente perfurados (tubos inteiriços ou sem costura);
A partir de chapas grossas ou finas a quente que são dobradas na largura e suas extremidades soldadas (tubos soldados ou com costura).
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Aços para tubos
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Aços para arames e fios
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Aços para molas
Devem apresentar as seguintes propriedades:
Altos valores para os limites de proporcionalidade ou elasticidade sob tensão; nessas condições, as molas poderão suportar as cargas de serviços, geralmente apreciáveis, sem deformação permanente;
Elevada resistência ao choque, sobretudo no caso de serviço mais pesado em veículos em geral;
Alto limite de fadiga, visto que normalmente, na indústria automobilística, as molas falham por fadiga, a ruptura se iniciando em algum ponto de concentração de tensões.
O teor de carbono varia de 0,50 a 1,20%; o aço pode ainda conter certos elementos de liga. Os mais usados são cromo e o vanádio, além do silício e do manganês em teores mais elevados do que os normais. Esses aços ligados apresentam melhores limites de fadiga.
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Aços de usinagem fácil
A dureza e a microestrutura são fatores importantes.
Os efeitos da microestrutura na usinabilidade dos aços podem ser resumidos da seguinte maneira:
Aços de carbono muito baixo (até 0,20%) são melhor usinados no estado encruado (desde que as tensões sejam aliviadas);
Aços de carbono entre 0,20 e 0,30% são melhor usinados quando a estrutura é normalizada;
Aços de carbono entre 0,30 e 0,40% devem apresentar, para melhor usinabilidade, a perlita com estrutura grosseira;
Aços de carbono entre 04,0 e 0,60% são melhor usinados quando a perlita se apresenta grosseira;
A introdução controlado de metais moles, como o chumbo e o bismuto, melhor apreciavelmente a usinabilidade.
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Ferros Fundidos
Costuma-se definir ferro fundido como as ligas Fe-C cujo teor de carbono se situa acima de 2,0% aproximadamente. Mas devido a grande importância do silício, o ferro fundido é normalmente considerado uma liga ternária Fe-C-Si.
Tipos de ferros fundidos:
Branco;
Cinzento; 
Maleável;
Nodular.
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Ferros Fundidos
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Ferros Fundidos
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Ferros Fundidos
Diagrama de equilíbrio metaestável Fe-C-Si para dois diferentes teores de silício.
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Ferros Fundidos
Efeito do silício: modifica a composição do eutético.
A fórmula indica que o efeito no silício corresponde ao de um terço do efeito do carbono.
Exemplo: uma liga
com 2,3% de Si, verifica-se que o ponto eutético corresponde cerca de 3,6% de carbono.
Outra função importante do silício, ele age como um agente grafitizante.
116
Ferros Fundidos
Fatores que influem na estrutura do ferro fundido:
Composição química;
Velocidade de resfriamento.
Na composição química os elementos que mais influem na estrutura são o carbono e o silício.
117
117
Ferros Fundidos
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Ferros Fundidos
Velocidade de resfriamento
Este fator relaciona a velocidade de resfriamento propriamente dita durante a solidificação no interior dos moldes e a espessura das peças moldadas.
Velocidades de resfriamentos rápidas – seções finas ou áreas adjacentes às paredes do molde (pouca decomposição da grafita – fenômeno chamado de seções coquilhadas);
Velocidades de resfriamentos lentas – seções espessas (ocorre apreciável grafitização);
No qual esses dois fatores sempre irão depender do teor de carbono e de silício.
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Essa estrutura confere ao material características de baixa dureza e excelente usinabilidade, além de razoável resistência mecânica.
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Ferro Fundido Branco
Apresenta o carbono quase que inteiramente combinado na forma Fe3C e sua fratura é do tipo branca; Possuem elevada dureza e resistência ao desgaste (baixa usinabilidade);
Principais parâmetros para produção: Composição química e velocidade de resfriamento;
Aplicação de elementos de ligas: Ni; Mo; V (resistência ao desgaste, corrosão e oxidação).
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Ferro Fundido Branco
Efeito comparativo de vários elementos de liga que diminuem a profundidade de coquilhamento.
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Ferro Fundido Branco
Efeito comparativo de vários elementos de liga que aumentam a profundidade de coquilhamento.
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Ferro Fundido Branco
Aplicações:
Revestimento de moinhos
Bolas para moinhos de bola
Outras aplicações incluem cilindros de laminação para borracha, vidro e metais, rodas de vagões, peças empregadas em equipamento para britamento de minério, moagem de cimento etc.
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Ferro Fundido Branco
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Ferro Fundido Cinzento
Ferro fundido mais utilizado industrialmente por possuir as seguintes características:
Fácil fusão e moldagem;
Excelente usinabilidade;
Boa resistência mecânica;
Boa resistência ao desgaste;
Boa capacidade de amortecimento.
Faixa de composição 
127
Ferro Fundido Cinzento
A classificação dos ferros fundidos cinzentos segundo a ABNT, eles são designados pelas letas FC, seguindo-se dois algarismos representativos do limite mínimo de resistência a tração.
As classes FC-10 e FC-15 correspondem aos ferros fundidos cinzentos comuns, com excelente fundibilidade e melhor usinabilidade. A classe FC-15 é utilizada, em bases de máquinas, carcaças metálicas, entre outras.
As classes FC-20 e FC-25, também possuem boas fundibilidade e usinabilidade, apresentam melhor resistência mecânica e se aplicam, principalmente em elementos estruturais, tais como barramentos, cabeçotes e mesas de máquinas operatrizes.
As classes FC-30 e FC-35, possuem maiores durezas e resistência mecânica, aplicam-se em engrenagens, pequenos virabrequins, bases pesadas de máquinas, blocos de motor.
A classe F-40 é a classe de uso comercial que possui a maior resistência mecânica, apresentando, para essa finalidade, combinação de elementos de liga; entre eles níquel, cromo e molibdênio.
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Ferro Fundido Cinzento
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Ferro Fundido Cinzento
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Ferro Fundido Maleável
FoFo Branco + Maleabilização = FoFo Maleável
Objetivos do tratamento: Ductilidade ou Maleabilidade.
Melhoramento das propriedades: 
Tração;
Fadiga; 
Desgaste;
Usinabilidade.
Aumento da aplicação industrial após o tratamento.
Tipos de tratamento: Maleabilização por descarbonetação e grafitização.
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Ferro Fundido Maleável
Maleabilização por descarbonetação: Origina um material de núcleo branco (características de fratura), cuja estrutura é constituída essencialmente de ferrita.
Peça introduzida em meio oxidante para que haja descarbonetação.
O aspecto de fratura só é revelado em paredes finas (5 – 6 mm).
Ao mesmo tempo que ocorre a descarbonetação intensa, ocorre também a grafitização pela decomposição da cementita.
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Ferro Fundido Maleável
Peças até cerca de 5 mm em espessura – ferrita somente;
Peças de maior espessura – ferrita nas camadas superficiais e grafita, em nódulos arredondados, sobre uma matriz de ferrita (as vezes com uma certa quantidade de perlita) na parte central.
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Ferro Fundido Maleável
Maleabilização por grafitização: Origina um material de núcleo preto, cuja fratura tem aspecto escuro com estrutura essencialmente de grafita em nódulos em uma matriz ferrítica.
Peça introduzida em atmosfera neutra.
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Ferro Fundido Maleável
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Ferro Fundido Maleável
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Ferro Fundido Nodular
Esta liga é também chamada de ferro fundido dúctil e caracteriza-se por possuir excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade. O seu limite de escoamento é mais elevado do que nos ferros fundidos cinzento e maleável e mesmo do que nos aços-carbono sem elementos de liga.
Esse ferro fundido possui uma composição química semelhante a do ferro fundido cinzento comum ou com baixo teor de liga.
Processo de nodulização: Adição de Magnésio, Cério, Cálcio, Lítio, Sódio ou Bário.
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Ferro Fundido Nodular
A adição de algum desses elementos produz uma nova microestrutura, juntamente com um conjunto de propriedades mecânicas.
Resistência mecânica;
Tenacidade;
Ductilidade;
Usinabilidade.
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Ferro Fundido Nodular
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Ferro Fundido Nodular
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Ferro Fundido Nodular
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
Por solução sólida
É uma mistura homogênea, onde as duas substâncias são sólidas, mas que têm a capacidade de se misturarem homogeneamente a partir de uma certa temperatura. Uma solução sólida é constituída, pois, de dois ou mais elementos.
Fatores para que possa ocorrer a solução sólida:
Fator de empacotamento atômico; estrutura cristalina; eletronegatividade; valência.
Exemplo:
O cobre e o níquel formam solução sólida substitucional. 
Raio atômico: cobre (0,128nm) e níquel (0,125nm);
Ambos possuem estruturas cristalinas do tipo CFC;
Eletronegatividades: cobre (1,9) e níquel (1,8);
Valência: cobre (+1, pode exibir também +2) e níquel (+2).
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
Por precipitação
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
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MECANISMO DE ENDURECIMENTO
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