elementos de ligas

•

UFRN

Kalionara Freitas

17/02/2018

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1 Prof. DORIVAL – jan /2015

1 1
MCM
1AP - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA

CLASSIFICAÇÃO E
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

2 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Conteúdo da Apresentação:
• Classificação dos materiais
• Estruturas cristalina dos metais
• Propriedades físicas dos materiais
• Obtenção do ferro gusa e do ferro fundido

3 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Átomos…
Moléculas…
Materiais.
Um grego chamado Demócrito sugeriu que toda matéria é composta de
pequenas partículas, que chamou de átomos.
Classificação dos materiais

4 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Tabela periódica

5 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
O que é um material?
Um material é um composto
predominantemente sólido e
homogêneo de substâncias que pode ser
usado na construção de peças
Classificação dos materiais

6 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Os materiais são predominantemente sólidos
Estado sólido:
• Moléculas ou átomos agrupados que MANTÉM a FORMA após serem
moldados.
Classificação dos materiais
A organização dos grupos de moléculas estabelecem o seu comportamento na natureza:

7 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Os materiais são homogêneos
• Variadas substâncias diferentes.
• Mesmas propriedades em toda parte.
Foto do
tecido
Classificação dos materiais

8 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Materiais
Metálicos
Ferrosos Não -
Ferrosos
Não -Metálicos
Sintéticos Naturais
Classificação dos materiais

9 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Materiais metálicos
• Formados por uma ou mais substâncias, onde predominam as metálicas

• Predominantemente brilhantes e resistentes;

• Têm alta densidade em relação aos demais (no mínimo, 2 kg / dm3);

• Normalmente obtidos através de minérios;

• Muito usados em construções mecânicas.

10 Prof. DORIVAL – jan /2015

10 10
MCM Materiais não metálicos
• Naturais:
madeira, couro, fibras, etc.

• Artificiais ou sintéticos:
baquelite, celulóide, acrílico, etc.

- Materiais plásticos
Celulóide: marfim artificial
Baquelite
Acrílico

11 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
METÁLICOS
FERROSOS

AÇOS

FERROS
FUNDIDOS

Materiais metálicos ferrosos

12 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
1. Substância Predominante: FERRO - Fe
2. Substância não predominante porém importante: CARBONO - C
3. Usados desde a antiguidade
4. De cores acinzentada até prateada
5. Os mais usados na indústria mecânica
6. Em sua maioria muito resistentes e fáceis de serem trabalhados.
Materiais metálicos ferrosos

13 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
METÁLICOS
NÃO FERROSOS

PESADOS

LEVES

Ex.: Chumbo, Cobre
e Cromo
Ex.: Alumínio e
Magnésio
Limite:
5kg/dm3
Materiais metálicos não ferrosos

14 Prof. DORIVAL – jan /2015

14 14
MCM Materiais metálicos não ferrosos
São todos os demais materiais metálicos empregados na
construção mecânica.
• Metais pesados: (ρ >
5kg/dm3) cobre, estanho, zinco,
chumbo, platina, etc.

• Metais leves: (ρ < 5kg/dm3)
alumínio, magnésio, titânio, etc.
utilizados em peças
sujeitas a oxidação
cobre
chumbo
alumínio titânio

15 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Aços – Características Gerais
• Liga de Ferro (Fe) e Carbono (C), com o último tendo de 0 a 2,1% na
composição,

• Tem excelentes propriedades mecânicas: material tenaz, dúctil, de fácil
trabalho, podendo também ser forjável.

• De cor acinzentada até prateada

• 80% dos materiais usados na indústria

16 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Ferros Fundidos – Características Gerais
• Liga de Ferro e Carbono, com o último tendo de 2,1 a 6,67% na composição.
• Custo menor que o do aço, devido a facilidade de obtenção.
• De cores mais acinzentada, devido à grande quantidade de carbono.
• Sempre que possível, deve-se usá-lo ao invés do aço.
• Há basicamente 3 tipos: FoFo Cinzento, FoFo Branco e FoFo Maleável.

17 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
MATERIAIS
METÁLICOS NÂO-METÁLICOS
FERROSOS NÃO-FERROSOS NATURAIS SINTÉTICOS
Aço Al - Alumínio Madeira Vidro
Ferro fundido Cu - Cobre Couro Cerâmica
Zn - Zinco Borracha Plástico
Mn - Magnésio
Pb - Chumbo
Sn -Estranho
Ti - Titânio
Classificação dos materiais

18 Prof. DORIVAL – jan /2015

18 18
MCM
Estrutura cristalina dos materiais
Materiais de construção mecânica

19 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Reticulados Cristalinos
• Cristal Metálico: átomos organizados num padrão
tridimensional bem definido, que se repete no espaço,
formando uma estrutura com uma geometria específica.
Tipos de
reticulado de
materiais
ferrosos:
CCC:
Cúbico de
corpo
centrado
CFC:
Cúbico de
face
centrada

20 Prof. DORIVAL – jan /2015

20 20
MCM
Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.

Rede cúbica de faces centradas
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

21 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

Rede cúbica de corpo centrado

22 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. A dimensão da rede varia de tipo para tipo.

Hexagonal compacta
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.

23 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Grão
• O grão é um aglomerado de reticulados cristalinos; a fronteira
entre grão se chama contorno de grão

24 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Formação do grão no resfriamento
• Algumas unidades de reticulado resfriam em pontos aleatórios do material.
• A quantidade de reticulados agrupados vai crescendo, o que faz surgir o que será
o grão, porém, ainda contornado por líquido.
• Finalmente, a porção líquida se acaba, todos os átomos se aglomeram em grãos,
determinando assim os contornos de grão.

25 Prof. DORIVAL – jan /2015

25 25
MCM
Propriedades dos Materiais
Materiais de construção mecânica

26 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Propriedades dos Materiais
Elasticidade Fragilidade
Ductilidade Tenacidade
Dureza Resistência
Maleabilidade

27 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Elasticidade
Ao aplicar uma força em uma peça de
material elástico, ele se deforma. Porém,
ao cessar este esforço, a peça volta a ter
o seu formato inicial.

Ex.: Molas e Borracha
Propriedades dos Materiais

28 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Fragilidade

Ao sofrer um choque (impacto, aplicação de
esforço de curto período e repentina), uma
peça de material frágil tende a quebrar
(romper-se). Logo, os materiais frágeis, tem
baixa resistência aos choques.

Ex.: Vidros e Ferro Fundido
Propriedades dos Materiais

29 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Ductilidade / Plasticidade
É o oposto da Fragilidade. Ao sofrerem
impactos, peças de materiais dúcteis se
deformam e não se rompem. Para qualquer
força que sofra, essa peça não retorna ao seu
estado original: fica deformada.

Ex.: Cobre e Massa de modelar
Propriedades dos Materiais

30 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCMTenacidade
É a propriedade mais apreciada em um M.C.M.
Uma peça de material tenaz é aquela que ao
sofrer grande esforço (impacto ou não), sofre
pouca deformação elástica e não se rompe
facilmente.

Ex.: Aços-liga e
Aços de Chave Allen
Propriedades dos Materiais

31 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Dureza
Pode ser chamada de resistência ao desgaste
ou à penetração. Essa propriedade aparece
naquelas peças que não podem ser
desgastadas ou deformadas na sua superfície.

Ex.: Aços-Ferramenta
Propriedades dos Materiais
Plainar Fresar

32 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Resistência
É a oposição à mudança de forma. Um material
pode se opor bem à tração (ser “puxado”) e mal
ao cisalhamento (ser cortado).

Existem 6 tipos de resistência: Flexão,
Cisalhamento, Torção, Tração, Flambagem e
Compressão.
Propriedades dos Materiais

33 Prof. DORIVAL – jan /2015

33 33
MCM
Resistência
Propriedades dos Materiais

34 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Densidade
É a concentração de material em um
determinado volume. Um litro de água pesa 1
kg, mas nem todo líquido tem 1kg / litro. O
mesmo acontece com os materiais.

Unidades de medida: kg/dm3, g/dm3, kg/L
Propriedades dos Materiais

35 Prof. DORIVAL – jan /2015

35 35
MCM Propriedades dos Materiais
Maleabilidade

Propriedade que permite que
um material seja transformado em
chapas ou lâminas.

36 Prof. DORIVAL – jan /2015

36 36
MCM
Obtenção dos materiais ferrosos
Materiais de construção mecânica

37 Prof. DORIVAL – jan /2015

37 37
MCM Complexo siderúrgico

38 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Obtenção dos materiais ferrosos
• Minério de Ferro: extraído do solo, é obtido em formato de óxidos de ferro ou
carbonatos de ferro.
• Acompanha quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo e manganês.
Minério Designação Fórmula
Porcentagem de
Ferro (%)
Magnetita
Óxido Ferroso
Férrico
Fe3O4 60 ~ 70
Hematita Roxa
Óxido de Ferro
Anidro
Fe4O3 40 ~ 60
Hematita parda ou
limonita
Óxido de Ferro
Hidratado
2Fe2O3 + 3H2O 20 ~ 45
Siderita
Carbonato de
Ferro
FeCO3 30 ~ 45

39 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Obtenção dos materiais ferrosos
Minérios

40 Prof. DORIVAL – jan /2015

40 40
MCM Sinterização

41 Prof. DORIVAL – jan /2015

41 41
MCM Sinterização

42 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Redução do Minério de Ferro no Alto Forno
• Após a limpeza do
minério (separar as
impurezas: argila e
quartzo), o minério de
ferro é britado (quebrado
em pedregulhos) e
compactado em briquetes
(tijolos)

• Em seguida, leva-se o
minério ao Alto Forno, um
equipamento com altura
de até 80 metros e
diâmetro de
aproximadamente 18
metros.

• No alto forno ocorre a redução do minério,
que significa tirar oxigênio dele

43 Prof. DORIVAL – jan /2015

43 43
MCM Obtenção do ferro gusa líquido - Alto Forno

44 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM ferro gusa líquido

45 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Como funciona o Alto Forno
• Oxigênio é prejudicial
– deve ser retirado
(redução).

• Ocorrem reações de
desoxidação do minério.

• Coque: Carvão Mineral
– fornece o carbono para
a redução.

• Calcário – desagrega o
fósforo, o silício e o
enxofre (parcialmente)

• Altas temperaturas -
Fundente
F
u
n
d
e
n
te

46 Prof. DORIVAL – jan /2015

46 46
MCM Interior do alto forno

47 Prof. DORIVAL – jan /2015

47 47
MCM Como funciona o Alto Forno
Os óxidos de ferro sofrem redução (o
oxigênio é eliminado do minério de ferro);

A ganga se funde (as impurezas do
minério se derretem);

O ferro-gusa se funde (torna-se líquido);

O carbono é incorporado ao ferro-gusa
líquido (o ferro-gusa sofre carbonetação);

Certos elementos da ganga são
parcialmente reduzidos (algumas impurezas
são incorporadas ao ferro-gusa líquido).

As reações de redução, carbonetação e
fusão geram dois produtos líquidos: a
escória e o ferro-gusa que são empurrados
para os lados pelos gases que estão subindo.

48 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Ao sair do alto-forno, o ferro-gusa líquido é transportado por carros torpedos.

– fundição (para ser usado na fabricação de ferros fundidos);

– aciaria (na qual pode ser misturado com sucatas de aço ou com
outros metais, para se transformar em aço.
Como funciona o Alto Forno

49 Prof. DORIVAL – jan /2015

49 49
MCM Esquema do complexo industrial

50 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM O que é o Ferro Gusa
O ferro gusa é uma liga de ferro com:
• 5 a 6% de Carbono
• 3% de Silício
• 6% de Manganês
• Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%)
Suas características:
• O gusa é o pré-produto do ferro fundido e do aço.
• É muito frágil (quebradiço), não pode ser soldado nem forjado.
• Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%).
• Não é usado como M.C.M., e sim para dar origem ao Aço e ao FoFo.

51 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Ferro Fundido – Obtenção
Feito na segunda fusão do Ferro Gusa em Forno Cubilot ou Forno
Elétrico (menos usado), o Ferro Fundido é uma liga com de 2,0 a 4,5%
de Carbono.
• Maioria da Carga de
Sucata de Aço (baixo
carbono na composição);
• Lingotes de ferro Gusa
• Sucata de Ferro Fundido;
• Coque
• Fundente
MATERIAL MAIS PURO E
COM MENOS CARBONO
( FERRO FUNDIDO )
•MAIOR SOLDABILIDADE (CAPACIDADE
DE SER SOLDADO)
•MAIOR MOLDABILIDADE (CAPACIDADE
DE SER FUNDIDO)
•PONTO DE FUSÃO MENOR
•GRÃOS MAIS FINOS E UNIFORMES
PODE SER USADO
NA PRODUÇÃO DE
PEÇAS

52 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot
Forno Cubilot: Forno usado na segunda fusão do gusa, para se obter o FoFo
• Altura: aprox 8m
• Diâmetro interno: aprox 1m
• Parte interna revestida de material
refratário

• Parte externa revestida de aço
• Dutos próprios para a injeção de oxigênio
(redução de carbono)]

• Saída do Ferro Fundido liquefeito por
baixo

53 Prof. DORIVAL – jan /2015

53 53
MCM Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot

54 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro Fundido – Tipos e Características
Os tipos de Ferro fundido varia em função de como o carbono está combinado
na estrutura:
Combinado com o ferro, formando a CEMENTITA
Separado do ferro, formando VEIOS DE CARBONO - GRAFITE
Maior teor de:
Silício, com resfriamento mais lento
Manganês, com resfriamento mais rápido
Mais Grafite
Mais Cementita
FoFos CINZENTOS
FoFos BRANCOS e FoFos MALEÁVEIS

55 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro Fundido Cinzento Lamelar
Apresenta veios de grafite na sua estrutura, dado o alto teor de silício e a baixa
velocidade de resfriamento
• Custo baixo

• Fácil fundição (baixa temperatura de fusão)

• Pouca contração na solidificação

• Baixa porosidade

• Boa usinabilidade

• Grande resistência à compressão e impacto

• Baixa resistência a tração

• Boa capacidade de deslizamento (grafite
lubrifica o contato)
CARACTERÍSTICAS
Presença dos Veios de grafite de forma
de lamelas: FoFo LAMELAR
Usado na construção de
estruturas de máquinas

56 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro FundidoCinzento Nodular
Obtido ao se adicionar ligas de magnésio na produção do FoFo Lamelar, as
lamelas se transformam em nódulos (ou glóbulos)
As mesmas do FoFo Lamelar, porém com
aumento de:

• Resistência a corrosão (agentes químicos)

• Resistência ao calor

• Resistência a tração, flexão e alongamento

E diminuição da resistência a compressão.
CARACTERÍSTICAS
Presença dos nódulos: FoFo
NODULAR
Usado na construção de tubos de grandes diâmetros para gás e água,
máquinas agrícolas, blocos de motores, bombas e turbinas.

57 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro Fundido Branco ou Duro
Aqui, o carbono está ligado ao ferro em forma molecular. Essa molécula se
chama Cementita: Fe3C
• Alta Dureza e Resistência ao desgaste

• Baixa resistência ao impacto

• Alta resistência a compressão

• Baixa usinabilidade

• Má capacidade de deslizamento (o carbono
não está solto na estrutura)
CARACTERÍSTICAS
Usado em peças que necessitam de alta resistência ao desgaste, como
ferramentas de estampo, cilindros de laminação, pás de escavadeiras, etc.

58 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferro Fundido Maleável Branco
A partir da MALEABILIZAÇÃO, que consiste na retirada de carbono do FoFo branco
através de reações químicas com Óxidos de Ferro granulados, obtém-se o FoFo
Maleável ( queda de 4,0 para 1,5% C)
• A peça só é tratada em, no máximo, 15 mm
de espessura

• Peças espessas apresentam núcleo de
FoFo Branco, enquanto as pequenas, são
totalmente maleabilizadas
A maleabilização é feita quando se deseja que uma peça tenha uma
camada superficial (de até 12mm) com menos fragilidade.
• No núcleo da peça espessa, as
características do FoFo Branco permanecem,
enquanto na superfície, a dureza diminui.

• Tem excelente fluidez quando líquido.

59 Prof. DORIVAL – jan /2015

59 59
MCM Processos de fundição

60 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Resumo

61 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM Ferros Fundidos – Outras técnicas
Velocidade de resfriamento varia
•Na Produção de Rodeiros (rodas de trem), procura-se resfriar mais rapidamente
a região externa da peça e mais lentamente o centro. Isso faz com que a periferia
da peça seja de FoFo Branco e o centro seja de FoFo Cinzento.

•Ao recozer (fazer o recozimento, que é um tratamento térmico) o FoFo Branco, a
Cementita se decompõem em grafite e ferro puro (ou quase). Isso maleabiliza a
peça toda. Obtém-se o que chamamos de FoFo Maleável Preto.
Tipo de FoFo altera-se.

62 Prof. DORIVAL – jan /2015

62 62
MCM
Aplicações dos Ferros Fundidos

63 Prof. DORIVAL – jan /2015

63 63
MCM
Aplicações dos Ferros Fundidos

64 Prof. DORIVAL – jan /2015

64 64
MCM
Aplicações dos Ferros Fundidos

65 Prof. DORIVAL – jan /2015
MCM
Aplicações dos Ferros Fundidos

66 Prof. DORIVAL – jan /2015

66 66
MCM
Obtenção do aço
Materiais de construção mecânica

67 Prof. DORIVAL – jan /2015

67 67
MCM Forno compressor Bressemer

68 Prof. DORIVAL – jan /2015