Aços, Aços liga e ferros fundidos introdução

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Materiais de Construção Mecânica 
CCE 0687
Unidade 3 – Aços, Aços-Liga e Ferros Fundidos
Aços para ferramentas e matrizes, aços 
resistentes à oxirredução e aços refratários
Fábio Oliveira
2017/1
Aços para Ferramentas 
e Matrizes
Introdução
De maneira geral, são aços utilizados para
trabalho (corte e remoção de material),
conformação de metais, plásticos e
madeira, cerâmicos, rochas, etc.
Introdução
Do ponto de vista composicional, aços
para ferramentas e matrizes são aços ao
carbono ou aços ligados os quais podem
ser endurecidos por tratamentos térmicos
ou termoquímicos e/ou outro tipo de
recobrimento superficial.
Introdução
Embora sejam uma fração relativamente
pequena do total do aço produzido, estes
aços assumem uma posição estratégica já
que são usados para produzir outros
produtos e materiais de engenharia.
Introdução
Para algumas aplicações,
especialmente onde velocidades de
corte extremamente elevadas são
requeridas, outros materiais tais como
metal duro e cerâmicas são utilizados.
Requisitos Fundamentais
Dureza à 
temperatura 
ambiente
Resistência ao 
desgaste
Temperabilidade
Tenacidade
Resistência 
mecânica
Dureza a quente
Tamanho de 
grão
Usinabilidade
Dureza à Temperatura Ambiente
É óbvia a importância dessa propriedade, visto
que a dureza da ferramenta ou matriz deve ser
superior à dureza da peça sobre a qual
exercerão sua ação de corte, usinagem ou
conformação. Esta dureza depende
principalmente do teor de carbono presente no
aço carbono.
Resistência ao Desgaste
Requisito muito importante pois o desgaste
pode causar falhas em muitos tipos de
ferramentas. Há alguns fatores que influenciam
este requisito como dureza, lubrificação e
resistência mecânica. Para os aços carbono o
teor de carbono tem grande influência nesta
propriedade.
Temperabilidade
É um requisito indispensável pois uma maior
penetração de dureza garante perfeita
uniformidade de características mecânicas. Para
os aços carbono comuns basta uma pequena
adição de cromo para se obter uma
temperabilidade completa à peça.
Tenacidade
Desejável em qualquer ferramenta ou matriz.
Porém é difícil aliar os conceitos de elevada
tenacidade e alta dureza. Alguns fatores que
influenciam a tenacidade são: tensões internas
(produzidas pela têmpera), dureza
excessivamente alta, teor em ligas, etc.
Resistência Mecânica
Uma elevada resistência mecânica é
indispensável, visto que os aços para
ferramentas e matrizes devem apresentar a
capacidade de suportar esforços sem o
aparecimento de falhas ou deformação
permanente.
Dureza a Quente
Propriedade que os aços podem apresentar de reter
alta dureza a temperaturas elevadas. Altamente
desejável em certos aços para ferramentas e matrizes,
utilizados em altas temperaturas, devido ao calor das
próprias condições de serviço. A presença de
tungstênio, molibdênio, cobalto, cromo e vanádio são
responsáveis por esta propriedade.
Tamanho de Grão
Desejável tamanho de grão pequeno ou
granulação fina, pois esta característica está
associada à propriedades mecânicas superiores.
Para os aços ferramenta o tamanho de grão é
determinado pela fratura, quando o material é
quebrado com uma dureza de 55 HRC,
aproximadamente.
Usinabilidade
Não se pode associar às propriedades mencionadas
sobretudo alta dureza e resistência, uma usinabilidade
satisfatória. A usinabilidade é tanto menor quanto
maior o teor em ligas, visto que se forma um apreciável
número de carbonetos. Por outro lado, aumentando-se
o teor de carbono e de elementos de liga, mais difícil
será o recozimento do material, para que a dureza seja
reduzida.
Fatores para o Atendimento aos 
Requisitos Fundamentais 
Composição 
química
Tratamento 
térmico
Composição Química
•C – elemento essencial formando carbonetos conferindo dureza à temperatura ambiente e
a elevadas temperaturas e resistência ao desgaste (0,40-2,35%C) ;
•Si, Mn – desoxidantes e dessulfurante (Mn), melhorando a temperabilidade (Mn), 0,5-
0,6%;
•Cr – adicionado principalmente para melhorar a temperabilidade. Aumenta a resistência
mecânica, dureza e resistência ao desgaste (5-14%);
•V – quando presente atua como desoxidante, controla o tamanho de grão e aumenta a
temperabilidade. Forma carbonetos muito duros e estáveis a elevadas temperaturas,
dureza a quente (0,25-4,50%);
•W – um dos mais importantes elementos de liga nestes aços. Forma carbonetos,
aumentando as durezas à temperatura ambiente e a quente, 600 °C (1,5-20%);
•Co – contribui com o aumento da dureza a quente (5-12%);
•Mo – substituto parcial do W.
Tratamento Térmico
Todos os aços para ferramentas e matrizes
são utilizados no estado temperado e
revenido.
Meios de resfriamento: água, ar, óleo e
salmoura.
Classificação de Aços para 
Ferramentas e Matrizes
- Temperáveis em água (W)
- Resistentes ao choque (S)
De baixa liga, temperáveis em óleo (O)
- Para trabalhos a frio ou indeformáveis De média liga, temperáveis ao ar (A)
De alta liga, temperáveis em óleo ou ao ar (D)
Ao cromo (H1 – H19)
- Aços para trabalho a quente (H) Ao tungstênio (H20 – H39)
Ao Molibdênio (H40 – H59)
Ao tungstênio (T), W + Co
- Aços rápidos Ao Molibdênio (M), Mo + Co
Aços Temperáveis em Água (W)
- Aços tenazes e resistentes à abrasão;
- Para obtenção destas propriedades trabalha-
se com o teor de carbono entre 0,50 e 1,40%;
- Aços carbonos simples ou com pequenas
adições de cromo e vanádio;
- 0,5 à 0,6 % Cmuito tenaz;
- 0,8 % C boa tenacidade;
- 1,2 % C grande dureza aliada à tenacidade;
- 1,4 % C grande dureza.
Aços Temperáveis em Água (W)
Aplicações:
- C até 0,75% martelos, ferramentas de ferreiro, etc;
- C entre 0,75 e 0,90%  lâminas de tesoura, matrizes
para estampagens, etc;
- C entre 0,90 e 1,10% fresas, mandris, etc;
- C entre 1,10 e 1,40%  ferramentas de tornos,
brocas, etc;
Aços Temperáveis em Água (W)
Aços Resistentes ao Choque (S)
- Possuem tenacidade de muito boa a
excelente, com regular resistência ao desgaste;
Aplicações:
- Martelos;
- Talhadeiras;
- Brocas para concretos;
- Lâminas de tesouras.
Aços Resistentes ao Choque (S)
Aços para Trabalhos a Frio 
ou Indeformáveis 
São, entre os aços para ferramentas e
matrizes, os menos suscetíveis a alterações
de forma e dimensões durante
tratamentos térmicos e por isso são
chamados de indeformáveis.
Aços para Trabalhos a Frio 
ou Indeformáveis 
Baixa liga temperáveis em óleo (O): C: 0,9-1,2%;
Mn: 0,25-1,6%; Si: 0,25%; Cr: 0-0,75%; W: 0-
1,75%; Mo: 0,25% (opcional). Aplicações típicas:
matrizes de conformação a frio para pequenas
séries, calibres e algumas ferramentas de
usinagem que não geram elevadas temperatura
durante serviço.
Aços para Trabalhos a Frio 
ou Indeformáveis 
Média liga temperáveis ao ar (A): C: 0,7-
1,0%; Mn: 0,5-3,0%; Cr: 1,0-5,0%; Mo:
1,0%. Aplicações típicas: matrizes de
formas complexas, matrizes para
laminação de roscas e ferramentas de
produzir fendas.
Aços para Trabalhos a Frio 
ou Indeformáveis 
Alta liga temperáveis ao ar/óleo (D): C: 1,0-
2,25%; Cr: 12,0%; Mo: 1,0%; Co: 3,0%; W: 1,0%.
Aplicações típicas: matrizes de conformação e
corte para grandes séries, matrizes para
laminação de roscas, moldes para tijolos,
revestimentos resistentes à abrasão, calibres,
etc.
Aços para Trabalhos a Frio 
ou Indeformáveis 
Aços para Trabalhos a Quente
São geralmente temperados ao ar/óleo.
Apresentam boa tenacidade, resistência ao
desgaste regular, usinabilidade regular, boa
resistênciaao amolecimento pelo calor, boa
estabilidade dimensional e grande
temperabilidade.
Aços para Trabalhos a Quente
- Ao Cr e Cr-Mo (H1-H19) 
Matrizes para fundição sob pressão, matrizes de forjamento,
ferramental para trabalho a quente (extrusão), lâminas de
tesouras para corte a quente, etc. São os mais utilizados.
- Ao Cr –W e W (H20-H39)
Matrizes de extrusão de aços, cobre ou latão, moldes
permanentes para fundição de latão, matrizes para prensagem e
forjamento, etc.
- Ao Mo (H40-H59)
Aplicações similares aos aços anteriores desta categoria. São os
menos utilizados.
Aços para Trabalhos a Quente
Aços Rápidos
Principais tipos de aços utilizados em ferramentas,
devido às suas características de alta dureza no estado
temperado e retenção da dureza à temperaturas em
que o gume cortante da ferramenta se torna vermelho,
devido ao calor gerado na operação de usinagem.
Todos os tipos de aço rápido contêm cromo e vanádio.
Aços Rápidos
Sua característica principal é a capacidade de
operar em velocidades e outras condições de
corte que podem elevar a temperatura do gume
cortante da ferramenta a cerca de 550°C-600°C,
durante a operação de usinagem.
Aços Rápidos
Aços Resistentes à Corrosão 
e à Oxidação e Aços Refratários
Introdução
São aços que resistem a corrosão
atmosférica e outros meios corrosivos
líquidos ou gasosos (aços inoxidáveis) e a
oxidação a elevadas temperaturas (aços
resistentes ao calor ou refratários).
Introdução
A corrosão e a oxidação dos metais à
temperaturas acima da ambiente constituem
uma importante causa de perda de peças. A
corrosão, neste caso, é combatida por meio da
“passividade” natural, isto é, a propriedade de
permanecer inalterado no meio circunvizinho.
Introdução
A passividade é conseguida através da
formação espontânea de uma película
superficial de óxido muito resistente,
característica dos aços inoxidáveis.
Introdução
A resistência ao calor, por sua vez, está relacionada
com a resistência à oxidação à elevadas
temperaturas. Assim, nos materiais resistentes ao
calor associam-se três características: resistência à
corrosão, resistência à oxidação à elevadas
temperaturas e resistência à fluência.
Introdução
A corrosão pode ser compreendida como o inverso da
galvanoplastia (processo eletroquímico de
oxidação/corrosão forçada). Na prática, entretanto,
pares galvânicos são formados, cada qual com
potenciais elétricos ou eletroquímicos próprios em
contato com um eletrólito (água ou soluções aquosas
ou ácidas por exemplo).
Introdução
Introdução
Corrosão em Metais
Processo de oxirredução do ferro:
Oxidação do ferro Fe (s)  Fe
+ 2
(aq) + 2e ânodo
Redução do oxigênio O2 (g) + 2 H2O (l) + 4e  4 OH
-
(aq) cátodo
Reação global 2 Fe(s) + O2 (g) + 2 H2O (l)  2 Fe(OH)2 (aq)
4 Fe(OH)2 (aq) + O2 (g) + 2 H2O (l)  4 Fe(OH)3 (aq)
(O Fe(OH)3 passa gradualmente à Fe2O3 ferrugem)
Aços Inoxidáveis
Estes aços adquirem passividade quando certos
elementos de liga, sendo os mais importantes o
cromo (Cr) e o níquel (Ni) e em menor grau o Cu, Si,
Mo, Al estão presentes. O Cr, de fato, é o elemento
mais eficiente (em teores maiores que 10%) na
maioria dos meios exceto aqueles contendo ácido
clorídrico.
Passividade
Composição química: Cr é o principal elemento (10% no min., sendo necessários 20-
30% para completa passivação). Na seqüência vem o Ni (6-8%) melhora a resistência à
corrosão em soluções com cloretos. Mo melhora a resistência à corrosão em ácido
sulfúrico (Cu também) a temperaturas elevadas e na água do mar. Ta, Nb, Ti evitam a
corrosão intergranular. Si melhora a resistência a oxidação a temperaturas elevadas.
Condições de oxidação: podem ser utilizados em meios oxidantes como ácido nítrico
mas não em meios redutores como em HF e HCl.
Suscetibilidade à corrosão localizada (“pitting”): mais prejudicial que a generalizada,
é devida ao Cl-.
Suscetibilidade à corrosão intergranular: pode ocorrer em aços inoxidáveis
austeníticos quando aquecidos em trabalho (400-800 °C) devido a precipitação de
carbonetos complexos de Cr e Fe em contornos de grão.
Aços Inoxidáveis
A resistência à
corrosão/oxidação dos
aços inoxidáveis está
fundamentalmente
relacionada ao cromo
como elemento de liga
no ferro.
Aços Inoxidáveis Ferríticos
São ferro-magnéticos e são denominados não
endurecíveis. O carbono é mantido entre (0,08-0,35%)
e o teor de Cr varia em média entre 11,5 e 27%.
Adições de S e Se (0,07%)
melhoram a usinabilidade.
Aços Inoxidáveis Austeníticos
São os mais importantes dentre os aços inoxidáveis, apresentando
simultaneamente Cr (16-26%) e Ni (6-22%). O carbono é mantido
baixo (0,08%) até 0,25% max. para maiores teores de Cr (22-26%) e Ni
(12-22%). São não magnéticos, não endurecíveis por tratamentos
térmicos (endurecem quando são encruados - austenita transforma-se
em ferrita supersaturada de carbono). Nestes aços pode ocorrer a
corrosão intergranular a qual pode ser eficientemente combatida com
a adição de Ti (5x %C) ou Nb (10x %C).
Formas de Corrosão
Corrosão intergranular
Ocorre preferencialmente, ao longo dos contornos de
grão. O resultado final deste processo é uma amostra
que se desintegra ao longo dos seus contornos de
grão, acarretando numa possível fratura catastrófica
do metal.
Aços Inoxidáveis Martensíticos
São ligas Fe-C-Cr contendo 0,15 a 1,20% de C e
11,5 a 18,0% de Cr. Algumas categorias destes
aços contêm pequenas quantidades de Ni e
outros elementos de liga. Estes aços tornam-se
martensíticos e portanto endurecem após
têmpera.
Aços Inoxidáveis Duplex
São ligas Fe-Cr-Ni contendo 0,01 a 0,50% de C,
22,0 à 28,0% de Cr e de 2 à 8% de Ni. Se
caracterizam por terem uma estrutura bifásica
de ferrita e austenita. Se destacam por
apresentarem uma elevada resistência à
corrosão localizada e melhor resistência ao
trincamento por corrosão sob tensão.
Aços Resistentes ao Calor
São aços que quando expostos de maneira
contínua ou intermitente em meios gasosos ou
líquidos e à temperaturas elevadas (acima dos
400°C), apresentam capacidade de suportarem,
em serviço, solicitações do tipo mecânica e/ou
química.
Aços Resistentes ao Calor
Os principais campos de aplicação destes
materiais são as industrias do petróleo e
química em equipamentos como fornos, estufas,
em turbinas a gás e a vapor, na indústria
automobilística e aeronáutica.
Aços Resistentes ao Calor
À temperaturas superiores aos 400°C, as
propriedades normais dos metais como as
mecânicas e a resistência à corrosão e à
oxidação começam a decair sobretudo a
resistência mecânica que, ao longo do tempo,
diminui e produz, sob carga constante,
deformação conhecida como fluência.
Aços Resistentes ao Calor
A resistência à fluência e as resistências à
corrosão e à oxidação, são, desta maneira, os
principais requisitos exigidos dos aços
refratários. Outros requisitos igualmente
importantes são a estabilidade térmica e
estrutural e a resistência à fadiga.
Aços Resistentes ao Calor
Com relação a composição química estes aços
podem ser agrupados, de maneira geral, em
duas categorias:
- Aços ao cromo: 5-30 %Cr;
- Aços cromo-níquel: 16-26 %Cr; 8-22 %Ni.
Fluência
Fluência
Curva típica de fluência
Efeito do Cromo nos Aços
Exercícios
1 – Por que os aços para ferramentas e matrizes tem um papel
de destaque?
2 – O que são aços resistentes ao calor?
3 – Quais são as principais composições de ligas para aços
resistentes ao calor?
4 – O que são aços para ferramentas e matrizes?
5 – O que sãoaços rápidos e quais os dois tipos?