Materiais Metálicos (1)

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Materiais Metálicos
Bibliografia
� Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de 
materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 
12, 2002.12, 2002.
� Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais, 
Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 11, 2008.
Sumário
� Ligas Ferrosas
� Aços 
� Ferros fundidos
� Ligas não-ferrosas
Ligas Ferrosas
� Aquela onde o Fe é o constituinte principal
� São produzidos em maior quantidade do 
qualquer outro tipo de metal
� Seu amplo uso é devido:� Seu amplo uso é devido:
� Fe é encontrado em quantidades abundantes na 
crosta terrestre
� Processo de obtenção e fabricação relativamente 
econômico
� São versáteis
Diagrama de equilíbrio Fe-C
� Ferro comercialmente 
puro - < 0,008%
� Ligas de aços – 0 a 
2,11 % de C
� Ligas de Ferros 
Fundidos – acima de Fundidos – acima de 
2,11% a 6,7% de C
Ligas metálicas
Ferrosas Não-ferrosas
Aço Ferros fundidos
Baixa Liga
Baixo teor de C
Médio teor de Carbono
Comum
Alta Resistência
Ferro cinzento
Ferro dúctil ou nodular
Ferro branco
Ferro maleável
Alta liga
Alto teor de carbono
Comum
Tratável termicamente
Comum
Aço ferramenta
Aço ferramenta
inoxidável
•Aços de construção
•Aços-ferramenta
•Aços rápidos
•Aços trabalho quente
Independentemente de ser ou não ligado, um aço pode ser 
classificado segundo vários critérios:
Valor da tensão 
limite de 
elasticidade:
•Aços correntes
Resistência mecânica Teor em C Utilização
•Hipoeutetóides 
(%C∗0,8)
•Baixo teor em C
(%C∗0,3) •Aços trabalho quente
•Aços trabalho a frio
•Aços resist ao choque
•Aços especiais
•Resist. à corrosão
•Resistentes a altas 
temperaturas
•Aços para molas, etc
•Alto teor em C
(%C]0,7)
•Aços correntes
σ∗600MPa
•Aços de alta 
resistência
600∗σ∗1100MPa
•Aços de muito alta 
resistência 
1100∗σ∗1800MPa
•Aços de ultra alta 
resistência
σ]1800MPa
(%C∗0,3)
•Médio teor em C
(0,3∗%C∗0,7)
•Eutetóides
(%C = 0,8)
•Hipereutetóides
(%C]0,8)
Classificação dos aços
QUANTO A COMPOSIÇÃO
� Aço-Carbono� sem elemento de liga
(elementos residuais: Si, Mn, P, S)
Alto, baixo e médio teor de carbonoAlto, baixo e médio teor de carbono
� Aço Liga baixa liga (máximo 5%) 
alta liga
Sistema de classificação dos aços
AISI-SAE XXXX
1XXX � Aço-carbono
10XX � Aço-carbono comum
11XX � teores diferenciados de S11XX � teores diferenciados de S
12XX � teores diferenciados de S e P
13XX � alto teor de Mn (1,6-1,9%)
Sistema de classificação dos aços
2XXX ���� Aço ao Níquel
3XXX ���� Aço ao Níquel e Cromo
4XXX ���� Aço ao Molibidênio
40XX ���� Mo 0,15-0,3%
41XX ���� Mo, Cr
43XX ���� Mo, Cr, Ni43XX ���� Mo, Cr, Ni
5XXX ���� Aço ao Cromo
6XXX ���� Aço ao Cromo e Vanádio
8XXX ���� Aço ao Níquel, Cromo e Molibidênio
9XXX ���� Outros
Propriedades dos aços-carbono
� A resistência aumenta com o teor de Carbono
� A ductilidade diminui com o teor de Carbono
� São aços de relativa baixa dureza
Oxidam-se facilmente� Oxidam-se facilmente
� Suas propriedades deterioram-se a baixas e 
altas temperaturas
� São os mais usados e de mais baixo custo
Propriedades dos aços baixo carbono
AÇO BAIXO CARBONO�< 0,3% C
� Produzidos em maior quantidade
� Não respondem a tratamentos térmicos, 
aumento de resistência → trabalho a frio
� Estrutura é usualmente ferrítica e perlítica
� São fáceis de conformar e soldar
� São relativamente moles e fracos porém 
possuem uma ductilidade e tenacidade 
excepcionais
Aço baixo Carbono
Ferrita PerlitaFerrita Perlita
� Aplicações mais comuns são em chapas 
automobilística, perfis estruturais e placas utilizadas 
na fabricação de tubos, construção civil, pontes e 
latas de folhas-de flandres
� Aços de alta resistência e baixa liga
� Contém outros elementos de liga (cobre, níquel, 
vanádio e molibdênio) não ultrapassa a 2%
� Ótima combinação entre propriedades mecânicas, 
Propriedades dos aços baixo carbono
resistência a corrosão e soldabilidade;
� Permite a construção de estruturas de menor peso e 
custo reduzido.
� Aplicações:
Edifícios altos, navios, pontes, equipamentos 
ferroviários...outras obras de grande porte;
Centro Empresarial do Aço, SP.
Ponte Erasmus em Rotterdam, Holanda 
Propriedades dos aços médio carbono
AÇO MÉDIO CARBONO� 0,25-0,6% C
� Podem ser tratados termicamente por 
austenitização, têmpera e revenido
Após o tratamento são mais resistentes, � Após o tratamento são mais resistentes, 
menor ductibilidade e tenacidade
Ferrita Perlita
Aço Médio Carbono
� São os aços mais comuns, tendo inúmeras 
aplicações em construção : rodas e 
equipamentos ferroviários, engrenagens, 
e outras peças de máquinas que e outras peças de máquinas que 
necessitam de elevadas resistências 
mecânica e ao desgaste e tenacidade.
Propriedades dos aços alto carbono
AÇO ALTO CARBONO� > 0,6% C
� São os mais duros, mais resistentes e menos 
dúcteis
� São quase sempre usados em uma condição 
endurecida e revenida sendo resistentes ao 
desgaste e a abrasão
Somente perlita
� Aço ferramenta
� Alto teor de carbono, contendo geralmente cromo, 
vanádio, tungstênio e molibdênio (na forma de 
carbeto)
Propriedades dos aços alto carbono
� São muito duros e resistente a desgaste e 
abrasão
AÇOS AO CARBONO
•Grande ductilidade
•Bons para extenso 
trabalho mecânico e para 
soldadura
Baixo Carbono
(%C<0,3)
Médio Carbono
(0,3<%C>0,7)
Alto Carbono
(%C>0,7)
•Temperados e revenidos 
atingem boas tencidade 
e resistência
•Usados em veios, 
•Elevadas dureza e 
resistência depois de 
têmpera
•Pequenas ferramentas soldadura
•Construção de pontes, 
edifícios, navios, 
caldeiras, e peças de 
grandes dimensões em 
geral
•Não temperáveis
•Usados em veios, 
engrenagens, bielas, 
carris, etc
•Pequenas ferramentas 
de baixo custo
•Componentes agrícolas 
sujeitos a desgaste
•Molas, engrenagens, 
cames e excêntricos
A
P
L
I
C
A
Ç
Õ
E
S
 
D
O
S
 
A
Ç
O
S
 
A
O
 
C
A
R
B
O
N
O
AERONAVES
NAVIOS
AUTOMÓVEIS
• Apenas no trem de aterragem (AISI 4340)
• Aço “macio” com %C entre 0,18 e 0,23 para 
facilitar a soldadura
• Casca: 1006, 1008
• Suspensão e direção: 1021~1046
A
P
L
I
C
A
Ç
Õ
E
S
 
D
O
S
 
A
Ç
O
S
 
A
O
 
C
A
R
B
O
N
O
MOLAS
• Motor: 1046, 1049 (cambota), 1041 (biela), 
1041 (pino do êmbolo), 1040, 1010 
(martelo), 1041, 1547 (válv. Admissão)
• Veio de transmissão: 1024, 1036, 1045 
end. superficialmente
• 1050, 1070, 1095 temp. e revenidos
VANTAGENS E LIMITAÇÕES DOS AÇOS AO CARBONO
•Gama larga de propriedades
•Relativamente baratos
•Representam 80% de toda a 
produção de aço
•Resistência sempre inferior a 
700MPa (sem t.t.)700MPa (sem t.t.)
•Têmpera difícil para largas 
espessuras (perigo de 
distorção/fractura)
•Fraca resistência ao impacto a 
baixas temperaturas
•Baixa resistência à corrosão
•Rápida oxidação a temp. 
elevadas
•Difíceis de trabalhar para 
teores elevados de carbono
•Cuidado na soldadura de aços 
com %C>0,3
AÇOS DE LIGA
Aços ligados
ELEMENTOS DE LIGA MAIS COMUNS
� Cr
� Ni
� V
� Mo
� W
� Co
� B
� Cu
� Mn, Si, P, S (residuais)
Efeito dos elementos de liga
� Aumentam a dureza e a resistência 
� Conferem propriedades especiais como:
� Resistência à corrosão
� Estabilidade à baixas e altas temperaturas
Controlam o tamanho de grão� Controlam o tamanho de grão
� Melhoram a conformabilidade
� Melhoram as propriedades elétricas e 
magnéticas
� Diminuem o peso (relativo à resistência 
específica)
Níquel
� Aumenta a resistência ao impacto (2-5% Ni)� Aumenta consideravelmente a resistência à 
corrosão em aços baixo carbono (12-20% 
Ni)
Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente � Com 36% de Ni (INVAR) tem-se coeficiente 
de expansão térmica próximo de zero.
Usado como sensores em aparelhos de precisão
Cromo
� Aumenta a resistência à corrosão e ao calor
� Aumenta a resistência ao desgaste (devido à 
formação de carbetos de cromo)
� Em aços baixa liga aumenta a resistência e a � Em aços baixa liga aumenta a resistência e a 
dureza
� É normalmente adicionado com Ni (1:2)
Tungstênio
� Mantém a dureza a altas temperaturas
� Forma partículas duras e resistentes ao 
desgaste à altas temperaturas
Presente em aços para ferramentas
Aços inoxidáveis
� Alta resistência à corrosão em uma 
variedade de ambientes 
� Elemento de liga predominante – Cromo
� Pode ter a presença de Ni e Mo → melhoram � Pode ter a presença de Ni e Mo → melhoram 
ainda mais a corrosão
� Divididos em:
� Martensítico
� Ferrítico
� Austenítico
TIPOS BÁSICOS DE AÇOS INOX
FERRÍTICOS AUSTENÍTICOS MARTENSÍTICOS
•11≤%Cr≤20, %C≤0,3 •17≤%Cr≤25 ; 6≤%Ni≤20 •12≤%Cr≤18;0,1≤%C≤1,2
Aços inoxidáveis
•11≤%Cr≤20, %C≤0,3
•Não podem ser tratados 
termicamente
•São magnéticos
•17≤%Cr≤25 ; 6≤%Ni≤20
•Estrutura austenítica à 
temp. ambiente
•Não podem ser tratados 
termicamente
•Mais resistente corrosão
•12≤%Cr≤18;0,1≤%C≤1,2
•Quando temperados 
atingem elevados níveis de 
dureza e resistência
•São magnéticos
OUTROS TIPOS DE AÇOS INOX
DUPLEX PH
•Microestrutura bifásica 
austenita+ferrita
•Melhor resistência corrosão que os 
austeníticos
•Endurecimento por precipitação
•Teores variáveis de Ni e Mo
•Precipitados de Cu, Al, Ti e Nb
•Elevadas resist. mecânica e 
tenacidade, mantidas a altas tenacidade, mantidas a altas 
temperaturas
A
P
L
I
C
A
Ç
Õ
E
S
APLICAÇÕES
FERRÍTICOS AUSTENÍTICOSMARTENSÍTICOS
•Componentes 
estruturais
• Instrumentos de 
corte
•Ferramentas
•Resistência 
química
•Tanques
•Piping (tubos)
PH
•Corrosão 
atmosférica
•Temperatura 
elevada
•Decoração
•Componentes 
estruturais
•Molas
A
P
L
I
C
A
Ç
Õ
E
S
T
I
P
O
S
• 405
• 409
• 430
• 430F
• 446
• 403
• 410
• 414
• 416
• 420
• 431
• 440A
• 440B
• 440C
•201
•202
•301
•302
•303
•304
•305
•308
•309
• 17-4
• 15-5
• 13-8
• 17-7
• 15-7 Mo
•310
•314
•316
•317
•321
•347
•304L
•316L
Ferros Fundidos
� Formam uma classe de ligas ferrosas que 
possui teores de carbono acima de 2,14% 
(3,0 a 4,5%C);
� Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e Temperaturas de fusão mais baixas (1150 e 
1300ºC) 
� A cementita é um composto metaestável, 
sob condições de resfriamento e composição 
pode-se dissociar em C grafita
� Teores >1% de Si → C grafita
Tipos de ferro fundido
LIGA FORMA DA GRAFITA
CINZENTO Lamelas ou Folhas
NODULAR Nódulos ou Esferas
VERMICULAR “Verme” ou compacta
Composição
Carbono (C) Silício (Si) Manganês (Mn) Enxofre (S) Fósforo (P)
Cinzento 2 - 4 1 - 3 0,2 - 1 0,02 - 0,25 0,02 - 1
Nodular 3 - 4 1,8 - 2,8 0,1 - 1 0,01 - 0,03 0,01 - 0,1
Valores em %
Liga
Nodular 3 - 4 1,8 - 2,8 0,1 - 1 0,01 - 0,03 0,01 - 0,1
Vermicular 2,5 - 4 1 - 3 0,2 - 1 0,01 - 0,03 0,01 - 0,1
Fonte: http://www.atlasfdry.com/cast-irons.htm
Propriedades mecânicas - forma da grafita
Baixa 
concentração 
de tensões
Baixa 
condutividade 
Esférica
Alta 
concentração 
de tensões
Alta 
condutividade 
Veios
condutividade 
térmica
Baixo 
amortecimento 
a vibrações
Baixa 
usinabilidade
condutividade 
térmica
Alto 
amortecimento 
a vibrações
Alta 
usinabilidade
Ferro Cinzento
� 2,5 a 4,0%C e 1,0 a 3,0%Si
� Grafita na forma de flocos circundados por 
uma matriz ferrita ou perlita
� É fraco e frágil quando submetido a tração� É fraco e frágil quando submetido a tração
� São eficientes no amortecimento de energia 
vibracional
� Elevada resistência ao desgaste
� Baixo custo
� Baixo custo (sucata como base);
� Fácil fusão e moldagem;
� Boa resistência mecânica;
� Boa resistência ao desgaste;
Ferro fundido cinzento
� Boa resistência ao desgaste;
� Boa capacidade de amortecimento;
� Grafita na forma de lamelas;
� Alta usinabilidade;
� Alta fluidez na fundição;
� Permite construções de forma complexa;
Ferro fundido cinzento - Aplicações
Capa de MancalBloco de MotorCabeçote de Capa de MancalBloco de MotorCabeçote de 
Motor
Carcaça de 
Bomba
Ferro nodular
� Adição de pequenas quantidade de magnésio 
e/ou cério
� Grafita na forma de nódulos ou partículas � Grafita na forma de nódulos ou partículas 
esféricas
� Mais resistentes e dúcteis
� Aplicação: válvulas, corpos de bombas, 
virabrequins, engrenagens e outros 
componentes automotivos e de máquinas
Ferro fundido nodular - aplicações
Coletores de 
Componentes de freio, biela, 
Coletores de 
exaustão Componentes de freio, biela, 
braço de suspensão
Conexões
Ferro fundido vermicular
� C entre 3,1 e 4,0 %p;
� Formação da grafita promovida pelo Si (1,7 a 3,0 %p);
� Grafita na forma vermicular (forma de vermes),
� microestrutura intermediária entre ferro nodular e 
cinzento.cinzento.
� Alguma grafita (< 20 %) pode estar na forma de nódulos;
� Mg (0,010% e 0,012%) e Ce;
� Matriz pode ser perlita e/ou ferrita;
� Propriedades intermediárias entre cinzento e nodular;
Ex.: Blocos de motores diesel.
� Maior resistência a tração;
� Alta relação resistência/fadiga;
� Maior ductilidade;
Maior tenacidade;
Ferro fundido vermicular vs Cinzento
� Maior tenacidade;
� Menor oxidação
� Menor coeficiente de dilatação térmica;
� Maior condutibilidade térmica;
� Maior resistência ao choque térmico;
Maior capacidade de amortecimento;
Ferro fundido Vermicular vs Nodular
� Maior capacidade de amortecimento;
� Melhor usinabilidade;
PESO
Cinzento x Vermicular
Motor Tipo
Peso em ferro 
fundido Cinzento 
(Kg)
Peso em ferro 
fundido Vermicular 
(Kg)
Redução 
Percentual do 
peso (%)
1.6 I-4 Petrol 35.4 25.0 29.4
1.8 I-4 Diesel 38.0 29.5 22.4
2.0 I-4 Petrol 31.8 26.6 16.4
2.5 V-6 (Racing) 56.5 45.0 20.42.5 V-6 (Racing) 56.5 45.0 20.4
2.7 V-6 Diesel xx.x xx.x -15
3.3 V-8 Diesel xx.x xx.x -10
3.8 V-8 Diesel xx.x xx.x -20
4.0 V-8 Diesel xx.x xx.x -15
4.6 V-8 Petrol 72.7 59.6 18.0
9.2 I-6 Diesel 158 140 11.4
12.0 V-6 Diesel 240 215 10.4
14.6 V-1 0 Diesel 408 352 14.2
Fonte: http://www.sintercast.com/$2/200462119204711afs-2004.pdf
Ferro Branco
� Ferros fundidos com baixo teor de sílicio 
(<0,1%) e taxas de resfriamento rápidas
� Carbono na forma de cementita� Carbono na forma de cementita
� Extremamente duro e frágil (impossível de 
ser usinado)
� Aplicações que necessitam um superfície 
muito dura e muito resistência à abrasão
Ferro maleável
� Ferro branco aquecido a temperaturas entre 
800ºC-900ºC por um longo período de tempo
Cementita → GrafitaCementita → Grafita
� Resistência alta e ductibilidade considerável
� Aplicação: barras de ligação, engrenagens 
de transmissão, conexões de tubulações e 
peças de válvulas para serviços marítimos
Limitação dos aços e outras ligas ferrosas
� Densidade relativamente alta
� Condutividade elétrica comparativamente 
baixa
� Suscetibilidade inerente à corrosão em � Suscetibilidade inerente à corrosão em 
alguns ambientes
Cobre e suas ligas
� O cobre quando não se encontra na forma de 
liga é muito mole e dúctil
� Altamente resistente a corrosão
� Bom condutor de calor e eletricidade
� Boa usinabilidade
Cobre e suas ligas
� Latão:
� Zn é o elemento de liga predominante na forma de 
impureza substitucional� Até 35% de Zn (fase α - CFC) são relativamente moles, 
dúcteis e facilmente submetidoss a deformação plástica
> 35% (fase β - CCC) é mais dura e resistente do que a � > 35% (fase β - CCC) é mais dura e resistente do que a 
fase α
� Bronze
� vários elementos incluindo estanho, Al, Si e o Ni
� Tem maior resistência que o latão e elevado nível 
de resistência a corrosão
Cobre e suas ligas
de resistência a corrosão
Al e suas ligas
� Densidade relativamente baixa (2,7g/cm3);
� Condutividade elétrica e térmica elevadas
� Resistência a corrosão
� Alta ductibilidade (mesmo em temperaturas baixas)
� Baixa temperatura de fusão (660ºC)Baixa temperatura de fusão (660ºC)
� Elementos de liga Cu, Mg, Si, Mn e o Zn
Mg e suas ligas
� Densidade mais baixa dentre todos os metais estruturais
� Na Tamb o Mg e suas ligas são difíceis de serem 
deformadas → fundição ou por deformação à quente
� Suscetíveis a corrosão especialmente em ambientes 
marinhos
� Pó de magnésio entra em ignição facilmente� Pó de magnésio entra em ignição facilmente
� Principais elementos de liga – Al, Zn, Mn
� As ligas de magnésio são largamente utilizadas na 
indústria aeronáutica em componentes de motores, na 
fuselagem e em trens de aterrisagem, por exemplo.
� Encontra aplicação, também, na indústria 
automobilística (caixas de engrenagem, rodas, colunas 
de direção), indústria bélica (mísseis) e em alguns 
componentes eletro-eletrônicos.
Magnésio em veículos: cenário
atual
LCD Display 
Frame
Aplicação no mercado eletro-eletrônico
LCD Projector Optical Base
M/ Phone 
Enclosure Portable Computer
3C Product 
Enclosure PC Mecha-Parts
Ti e suas ligas
� O metal puro tem densidade relativamente baixa, 
elevado ponto de fusão e alto módulo de elasticidade
� As ligas são extremamente resistentes
� São dúcteis e facilmente forjados e usinados
� Boa resistência a corrosão
� Limitação – reatividade química com outros materiais a 
temperaturas elevadas
Níquel e suas ligas
� Excelente resistência a corrosão
� É maleável podendo ser facilmente trabalhado a frio
� Muito tenaz
� Principal aplicação - revestimento protetor de aço (niquelação)
� Metal monel – liga de Ni e Cu
� Tenaz
Resistência superior à do aço de médio carbono� Resistência superior à do aço de médio carbono
� Excelente resistência a corrosão
Pistões de monel Aço niquelado.
Estanho
� É mole, dúctil e maleável
� Possui baixa resistência mecânica
� Elevada resistência a corrosão
Principal aplicação – estanhação por imersão � Principal aplicação – estanhação por imersão 
ou eletrodeposição de chapas de aço →
folhas de fandres
Zinco
� Alta resistência a corrosão é muito maleável 
entre 100º e 150ºC
� Boa usinabilidade
� Principal aplicação – galvanização do aço
� Zamac – ligas para fundição sob pressão, � Zamac – ligas para fundição sob pressão, 
elementos de ligas são Al, Cu e Mg
� Fivelas para cintos e calçados; Rebites e enfeites 
para bolsas; Fechaduras residenciais e industriais; 
Carcaças de liquidificadores, batedeiras e 
ventiladores, dobradiças de refrigeradores, 
componentes de relógios, grades de rádio e 
televisores entre outros.