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Materiais de Construção Mecânica CCE 0687 Unidade 3 – Aços, Aços-Liga e Ferros Fundidos Aços para fundição, aços estruturais e aços para trilhos Professor: Fábio Oliveira. 2013/2. Aços para Fundição Introdução Aço fundido é aquele que é geralmente vazado em moldes de areia ou metálicos, onde adquire o formato definitivo, passando apenas por operações de usinagem para acabamento. Introdução Entretanto, quando o aço é vazado em lingoteiras para a produção de lingotes, estes são submetidos, após a solidificação, a diversos processos de conformação mecânica. Requisitos Fundamentais Homogeneidade Granulação fina e isenção de tensões internas Propriedades mecânicas adequadas Projeto adequado da peça e do molde Composição da liga e tratamentos térmicos Tratamento térmico adequado Considerações a Respeito do Projeto Metalúrgico • Resistência real do metal • Forma das peças • Espessura das paredes • Previsão de defeitos de solidificação Tipos de Aços para Fundição • Aços de baixo C (C 0,2%) • Aços de médio C (0,2 C 0,5%) • Aços de alto C (C 0,5%) • Aços liga de baixo teor em liga (teor 8%) • Aços liga de alto teor em liga (teor 8%) Aços Carbono para Fundição Elemento (%) Baixo C (C 0,2%) Médio C (0,2 C 0,5%) Alto C (C 0,5%) Carbono 0,16 a 0,19 0,20 a 0,50 Acima de 0,50 Manganês 0,50 a 0,60 0,50 a 1,50 0,50 a 1,50 Silício 0,35 a 0,70 0,35 a 0,80 0,35 a 0,70 Fósforo 0,05 (máx.) 0,05 (máx.) 0,05 (máx.) Enxofre 0,06 (máx.) 0,06 (máx.) 0,05 (máx.) Recozimento e normalização Ex .: Equipamentos ferroviários Normalização (revenido) Normalização (revenido) Ex .: Auto, naval, construção, etc Ex .: Matrizes e estampas Efeito dos Elementos de Liga • Manganês: para cada 1% de manganês adicionado a liga, aumenta-se em 100 Mpa a resistência à tração. Efeito dos Elementos de Liga • Silício: melhora a resistência à oxidação a temperaturas elevadas. Elementos Prejudiciais à Liga • Fósforo: causa fragilização no aço, efeito acentuado com o aumento do teor de carbono. Deve ser cuidadosamente controlado no pro- cesso produtivo. Elementos Prejudiciais à Liga • Enxofre: indesejável na maioria dos casos. É oriundo dos processos de fabricação. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Se combinado com o manganês facilita a usinagem. Propriedades Mecânicas de Aços Carbono para Fundição Propriedade Baixo C (C 0,2%) Médio C (0,2 C 0,5%) Alto C (C 0,5%) Limite de Escoamento (MPa) 200 - 270 240 - 360 370 – 460 Limite de Resistência à Tração (MPa) 380 - 470 470 - 670 650 – 890 Alongamento (%) 37 - 32 31 - 17 18 – 3 Dureza Brinell (HB) 118 - 132 120 - 200 187 - 252 Aços Liga para Fundição Elemento (%) Ao Níquel Ao Manganês Ao Cromo Carbono 0,15 a 0,60 0,25 a 0,50 0,20 a 0,60 Manganês 0,50 a 1,00 1,00 a 1,75 - Silício 0,20 a 0,75 0,25 a 0,70 - Níquel 2,00 a 4,00 - - Cromo - - 0,50 a 3,50 Recozimento Ex .: Siderurgia e Mecânica Têmpera e revenido Têmpera e revenido Ex .: Escavação e construção Ex .: Corrosão por água Efeito dos Elementos de Liga • Manganês: para cada 1% de manganês adicionado a liga, aumenta-se em 100 Mpa a resistência à tração. Efeito dos Elementos de Liga • Silício: melhora a resistência à oxidação a temperaturas elevadas. Efeito dos Elementos de Liga • Níquel: para cada 1% de manganês adicionado a liga, aumenta-se em 40 Mpa a resistência à tração. Efeito dos Elementos de Liga • Cromo: melhora a resistência à corrosão, aumenta a resistência à tração e aumenta a resistência ao desgaste. Propriedades Mecânicas de Aços Liga para Fundição Propriedade Ao Níquel Ao Manganês Ao Cromo Limite de Escoamento (MPa) 340 354 350 Limite de Resistência à Tração (MPa) 490 – 590 690 - 995 600 – 900 Alongamento (%) 35 - 50 30 - 65 50 - 65 Dureza Brinell (HB) 250 - 300 185 - 210 140 - 190 Soldabilidade Tipos de Aço Composição Soldabilidade Pré- aquecimento Recozimento para alívio de tensões I - Aço carbono, com C abaixo de 0,30% - Aço liga, de baixo teor em liga e C abaixo de 0,15% Prontamente soldável Desnecessário Desnecessário II - Aço carbono, com C entre 0,35% e 0,50% - Aço liga, de baixo teor em liga e C entre 0,15% e 0,30% Soldável com precauções Preferível Preferível III - Aço carbono, com C acima de 0,50% - Aço liga, com teor em liga acima de 3% e C acima de 0,30% Difícil de soldar Necessário Necessário Aços Estruturais Introdução O aço estrutural possui grande destaque entre os materiais de construção por aliar resistência mecânica, trabalhabilidade, disponibilidade e baixo custo. Tipos de Aços Estruturais • Aços de baixo C (C 0,2%) • Aços de alta resistência e baixo teor em liga Requisitos Fundamentais Ductilidade e Homogeneidade Alto valor da relação LR/LE Soldabilidade Suscetibilidade de corte por chama, sem endurecimento Razoável resistência à corrosão Ductilidade e Homogeneidade O teor de carbono relativamente baixo e o trabalho a quente proporcionado pela laminação dos perfis estruturais garantem a ductilidade necessária além de produzir uma homogeneidade muito boa. Limite de Resistência versus Limite de Escoamento O limite de escoamento, característica de grande importância no projeto e cálculo das estruturas, é satisfatório no aço estrutural, sobretudo por conta de sua resistência que não é necessariamente elevada. Limite de Escoamento (LE) Trata-se do ponto onde ocorre a mudança do comportamento elástico para o plástico. Pode-se afirmar que o LE é o principal parâmetro obtido do ensaio de tração. Soldabilidade A soldabilidade é uma característica muito importante para este tipo de material de construção, visto que a soldagem de peças estruturais é comum. Corte por Chama O corte por chama é uma técnica muito empregada em aços estruturais e, no aço em estudo, sob o ponto de vista de alterações estruturais, pouco afeta as vizinhanças da zona do corte. Resistência à Corrosão O resistência à corrosão só é alcançada com a adição de pequenos teores de cobre. Teores da ordem de 0,25% de cobre melhora esta propriedade em aproximadamente duas vezes. Ligas versus Propriedades Tipo de aço Composição química (%) Propriedades mecânicas C Mn Si Outros LE (MPa) LR (MPa) Along. (%) Aço baixo C 0,29 0,6 / 1,35 0,15 / 0,40 - 170 - 250 310 - 415 25 – 30 Aço C-Mn laminado à quente 0,40 1,0 / 1,65 0,15 / 0,40 - 250 - 400 415 - 690 15 – 20 Aço alta resistência baixo teor 0,08 1,3 (máx.) 0,15 / 0,40 0,02 Nb ou 0,05 V 275 - 450 415 - 550 18 – 24 Aço C normalizado 0,36 0,9 (máx.) 0,15 / 0,40 - 200 415 24 Aço de baixo teor trat. térm. 0,21 0,45 / 0,70 0,2 / 0,35 0,45/0,65 Mo 0,001/0,005 B 620 - 690 720 - 800 17 – 18 Alguns Perfis Aços para Trilhos Introdução Os trilhos são materiais sujeitos a condições de serviços relativamenteseveras. Além dos choques e esforços de flexão alternados, verifica-se desgaste da superfície de trabalho. Introdução As extremidades dos trilhos estão sujeitas a um amassamento devido ao golpe produzido pelo choque das rodas das composições, quando estas atravessam as juntas dos trilhos. Alguns Termos Aços para Trilhos Elemento (%) Aço Comum Aço de Alta Resistência Carbono 0,72 – 0,82 0,75 – 0,80 Manganês 0,75 – 1,05 0,80 – 0,90 Fósforo 0,035 (máx.) 0,035 (máx.) Enxofre 0,040 0,040 Silício 0,10 – 0,35 0,20 – 0,30 Laminação a quente Possibilidade de fragilização a quente Elevados valores de manganês Ausência da fragilização a quente Propriedades Mecânicas Propriedade Aço Comum Aço de Alta Resistência Limite de Escoamento (MPa) 495 – 520 870 – 910 Limite de Resistência à Tração (MPa) 960 – 980 1070 – 1270 Alongamento (%) 9 – 10 10 – 13 Dureza Brinell (HB) 300 - 320 365 - 380 Resumindo... - Aços para fundição: caracterizados por apresentarem boa combinação de resistência, ducti-lidade e tenacidade; além disso, apresentam boa usinabilidade e adequada soldabilidade; muitos tipos são suscetíveis aos tratamentos térmicos de recozimento e revenido. Resumindo... - Aços estruturais: ao carbono ou com pequenos teores de elementos de liga, com boas ducti-bilidade e soldabilidade e elevado valor de relação entre o limite de resistência à tração e o limite de escoamento. Resumindo... - Aços para trilhos: cujas condições de serviço exigem características de boa resistência mecânica, boa resistência ao desgaste etc.; são tipicamente, aços ao carbono. Exercícios 1 – Por que os elementos fósforo e enxofre devem ser mantidos em teores baixos nos aços? 2 – Indique dois requisitos fundamentais para a fabricação de aços estruturais. Exercícios 3 – Qual a função da adição elevada de manganês no processo de fabricação do aço para trilho? Qual o processo de fabricação? 4 - Indique dois tratamentos térmicos para os aços fundidos. Exercícios 5 – Quais são as composições das ligas mais utilizadas na fabricação dos aços estruturais? 6 – Como são caracterizados, do ponto de vista de composição química e processo de fabricação, os aços estruturais? Exercícios 1 – Por que os elementos fósforo e enxofre devem ser mantidos em teores baixos nos aços? 2 – Indique dois requisitos fundamentais para a fabricação de aços estruturais. 3 – Qual a função da adição elevada de manganês no processo de fabricação do aço para trilho? Qual o processo de fabricação? 4 - Indique dois tratamentos térmicos para os aços fundidos. 5 – Quais são as composições das ligas mais utilizadas na fabricação dos aços estruturais? 6 – Como são caracterizados, do ponto de vista de composição química e processo de fabricação, os aços estruturais?
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