Apostila UFRGS aços carbono

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

*
Metalurgia Física dos Ferrosos
Profa. Janaína Machado
2015-2
*
Conceitos Básicos
Aço
Material metálico constituído essencialmente de: ferro + carbono contendo geralmente 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de certos elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação. 
Existem dois tipos fundamentais de aços: aço-carbono e aço-liga
 Aço carbono pode conter elementos como Si, Mn, Cu, Pb, B, Al. Outros elementos podem ser adicionados para melhorar sua usinabilidade como Se, Bi, Te, etc.
Aços-liga são aços que possuem outros elementos de liga, como Ni, Cr e Mo, etc.
*
Ferro Fundido
É um material metálico constituído essencialmente de ferro, carbono e silício com teores de carbono geralmente acima de 2%.
 Os cinco tipos de ferros fundidos comercialmente existentes são o Cinzento, Grafítico compacto, Dúctil, Branco e Maleável.
Conceitos Básicos
*
No Brasil é usado o sistema de classificação da ABNT (NBR NM 87) basicamente o mesmo usado pelo AISI (American Iron and Steel Institute) e pela SAE (Society of Automotive Engineers: SAE J404).
 
É um conjunto de especificações de aços que visa determinar as faixas de composição química dos mesmos, uniformizando o sistema de designação dos aços.
Classifica os materiais através do uso de números para descrever a sua composição química.
O número é composto por 4 dígitos. Os 2 primeiros indicam a família a qual o aço pertence, e os 2 últimos representam o % de carbono multiplicado por 100.
Assim um aço 4340, é um aço da família 43, isto é, com 1,8% Ni, 0,80% Cr, 0,25% Mo e com 0,40% C.
Sistema de Classificação dos Aços
*
Sistema de Classificação dos Aços
Principais grupos de aços nas classificações dos sistemas normativos mais comuns
Aços ao carbono
Aços para construção mecânica
- Aços para beneficiamento (ligados ou não) - Aços para cementação
- Aços para molas - Aços para nitretação
- Aços para rolamentos - Aços de corte livre (ou usinagem fácil)
Aços para Ferramenta
- Aços para trabalho a quente (AISI H) - Aços resistentes ao choque (AISI S)
- Aços para trabalho a frio (AISI A, D, O ou W) - Aços para moldes de plásticos (AISI P)
- Aços rápidos (AISI M ou T)
Aços Inoxidáveis
- Ferríticos - Austeníticos
- Duplex - Endurecíveis por precipitação
- Martensíticos
Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)
Fonte: Aços e ligas especiais (2006).
*
Sistema de Classificação dos Aços
Classificação ABNT, excluindo aços ferramenta
Aços carbono
10xx - Aço carbono
11xx - Aço carbono ressulfurado (corte fácil)
12xx - Aço carbono ressulfurado e refosforado (corte fácil)
14xx - Aço carbono com adição de Nb
15xx - Aço carbono com Mn > 1,0
Aços de baixa liga (construção mecânica)
13xx - Mn 1,75			41xx - Cr 0,50 ou 0,95, Mo 0,12 ou 0,20
23xx - Ni 3,5 			43xx - Ni 1,80, Cr 0,50 ou 0,80, Mo 0,25 
25xx - Ni 5,0			46xx - Ni 1,55 ou 1,80, Mo 0,20 ou 0,25
31xx - Ni 1,25, Cr 0,65		47xx Ni 1,05, Cr 0,45, Mo 0,20
33xx - Ni 3,50, Cr 1,55		48xx Ni 3,50, Mo 0,25
40xx - Mo 0,25			50xx Cr 0,28 ou 0,40
Fontes: Aços e ligas especiais (2006) e Composição química dos aços (1989).
*
Sistema de Classificação dos Aços
Aços de baixa liga (construção mecânica) - continuação
51xx Cr 0,80 a 1,05
5xxxx Cr 0,50 ou 1,00 ou 1,45, C 1,00
61xx Cr 0,80 ou 0,95, V 0,10 ou 0,15 min
86xx Ni 0,55, Cr 0,50 ou 0,65, Mo 0,20
87xx Ni 0,55, Cr 0,50, Mo 0,25
92xx Mn 0,85, Si 2,00
93xx Ni 3,25, Cr 1,20, Mo 0,12
98xx Ni 1,00, Cr 0,80, Mo 0,25
Aços inoxidáveis (resistentes ao calor e à corrosão)
2xx Cr, Ni, Mo Austenítico
3xx Cr, Ni Austenítico
4xx Cr Ferrítico
4xx Cr Martensítico
5xx Baixo cromo (resistente ao calor)
Fontes: Aços e Ligas Especiais (2006) e Composição Química dos Aços (1989).
*
Sistema de Classificação dos Aços
ASTM
American Society for Testing and Materials
É um conjunto de normas americanas que especificam propriedades para os mais diversos materiais, além de como realizar testes para a verificação destas propriedades.
No caso das normas de aços adotadas pelo GG, as mesmas definem propriedades mecânicas baseadas em uma determinada composição química.
Ex: ASTM A-36, ASTM A-572, ASTM A-588
*
Aciaria a Oxigênio 70,0%; Aciaria Elétrica 28,8%; Outros 1,2%
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
“boom pó-guerra”
Estagnação
Crescimento acelerado da China
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
(103 t)
Brasil x Mundo
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
Xangai 1987
Xangai 2013
*
Consumo de aço per capita
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
Parque Siderúrgico: 
29 usinas distribuídas por 10 estados brasileiros, controladas por 11 grupos empresariais
Região Sudeste: cerca de 94% da produção de 2011
Aspectos gerais sobre produção dos aços
*
Diagrama Ferro-Carbono
*
*
*
*
*
*
L+Fe3C
*
*
Ferro puro
*
*
FERRO  = FERRITA
FERRO  = AUSTENITA
FERRO  = FERRITA 
TF= 1538°C
Nas ligas ferrosas as fases ,  e  FORMAM soluções sólidas com Carbono intersticial
CARBONO
Ferro puro
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
Cementita:
Carbeto de ferro (6,67% de C), estrutura cristalina ortorrômbica, muito dura e frágil.
Composto intermetálico metaestável que permanece como composto indefinidamente a T amb, mas se decompõe após muitos anos em ferrita e grafite em T de 650º a 700°C
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
FERRO  = FERRITA
Estrutura= ccc
Temperatura “existência”= até 912 C
Fase Magnética até 770 C (temperatura de Curie)
Solubilidade máx. do Carbono= 0,0218% a 727 C e 0,008% a T ambiente.
FERRO  = AUSTENITA
Estrutura= cfc (tem + posições intersticiais)
Temperatura “existência”= 912 -1394C
Fase Não-Magnética
Solubilidade máx. do Carbono= 2,11% a 1148C
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
FERRITA
AUSTENITA
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
FERRO  
Estrutura= ccc 
Temperatura “existência”= acima de 1394C
Fase Não-Magnética
É a mesma que a ferrita 
Como é estável somente a altas temperaturas não apresenta interesse comercial
Solubilidade máx. do Carbono= 0,09% a 1495 C(Maior do que no Ferro )
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
Aço= 0,008 até 2,11% de Carbono
Ferro Fundido= 2,11- 4,5% de Carbono
Fe3C (CEMENTITA)= Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado (6,7% de C)
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de 				mais baixo de fusão
 Líquido FASE  (austenita) + cementita
Temperatura= 1148 C
Teor de Carbono= 4,3%
As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas
As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
LIGA EUTETÓIDE
Austenita	 FASE  (FERRITA) + Cementita
Temperatura= 727 C
Teor de Carbono= 0,77 %
Aços com 0,02-0,77% de C são chamadas de aços hipoeutetóides
Aços com 0,77-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
É similar ao eutético 
Consiste de lamelas alternadas de fase  (ferrita) e Fe3C (cementita) chamada de 
 PERLITA
FERRITA 	 lamelas + espessas e claras
CEMENTITA 	lamelas + finas e escuras
Propriedades mecânicas da perlita 		
 intermediária
entre ferrita (mole e dúctil) e cementita (dura e frágil)
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
Reação eutetoide
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
Reação eutetoide
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
Aço hipoeutetoide
Aço hipereutetoide
*
Ferro puro
Considerações sobre o diagrama Fe-Fe3C
*
Ferro puro
Exercícios de Fe-C
1. Para a temperatura ambiente e %C de 0,30%, calcular o % de ferrita, % de cementita e a quantidade de perlita (a quantidade de grãos de austenita que sofreu a transformação eutetóide).
2. Para a temperatura ambiente e %C de 0,77%, calcular o % de ferrita, % de cementita e a quantidade de perlita (a quantidade de grãos de austenita que sofreu a transformação eutetóide).
3. Para a temperatura ambiente e %C de 1,2%, calcular o % de ferrita, % de cementita e a quantidade de perlita
*
Ferro puro
Exercícios de Fe-C
Resolução 1
*
Ferro puro
Exercícios de Fe-C
Resolução 2
*
Ferro puro
Exercícios de Fe-C
Resolução 3
*
Ferro puro
*
Ferro puro
*
Ferro puro
*
Ferro puro
*
Diagrama Fe-C
Mudança de fases durante o resfriamento de um aço com 0,25% de C 
Pela regra da alavanca 
% de ferrita e %perlita são calculados.
% de ferrita livre:
% de perlita:
*
Diagrama Fe-C
Assim uma aço com:
0,2%C apresentará: 25% de perlita e 75% de ferrita
0,4%C apresentará: 50% de perlita e 50% de ferrita
0,77%C apresentará: 100% de perlita
De maneira inversa, se avaliarmos através da microscopia o teor de ferrita e perlita podemos estimar o teor de carbono do aço.
Assim um aço com 40% de perlita e 60% de ferrita pela equação terá um % de C de 0,3.
*
Diagrama Fe-C
AUSTENITA (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no ferro CFC. Em aços ao carbono e aços baixa liga só é estável acima de 727°C. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética. 
FERRITA (do latim "ferrum")- Consiste em um a solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade. 
CEMENTITA (do latim "caementum")- Denominação do carboneto de ferro Fe3C contendo 6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade. 
PERLITA (nome derivado da estrutura da madre pérola observada ao microscópio)- Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88,5% em peso) e cementita (11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita. 
*
Ferro puro
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
BHN – Britle hardness (dureza)
YS – Yield Strenght
UTS – Ultimate Tensile Strenght
*
Diagrama Fe-C
Devido a influência do carbono sobre a dureza do aço, costuma-se considerar os seguintes aços ao carbono
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagrama Fe-C
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
Resfriamento muito rápido da austenita até uma dada temperatura está indicado no segmento AB (vertical);
Tratamento isotérmico nesta temperatura representado pelo segmento BCD (horizonta);
A transformação da austenita em perlita inicia na interseção no ponto C (após cerca de 3,5 s) e termina após um tempo total de 15 s (ponto D).
*
Diagramas de Tranformação
Formas da perlita
Espessura das lamelas de ferrita e cementita dependerá da temperatura de transformação isotérmica.
Em temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetoíde são produzidas lamelas relativamente espessas tanto para ferrita quanto para cementita.
Microestrutura conhecida como perlita grosseira
Em temperaturas próximas a temperatura eutetóide, as taxas de difusão são relativamente elevadas
Átomos de carbono podem se difundir ao longo de distancias relativamente grandes
formação de lamelas grossas 
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
Com a diminuição da temperatura, taxa de difusão diminui
Formação de lamelas finas
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Tranformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Tranformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Formas da perlita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
Bainita
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Diagramas de Transformação
*
Kwietniewski, Fortis. Notas de aula da disciplina de Tratamentos térmicos I, Departamento de Metalurgia da UFRGS
*
*
*
*
*
*
*
*