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MATERIAIS METÁLICOS CURSO: Engenharia Mecânica – 4º Semestre Prof. Francisco Nascimento UNIDADE II: NOTA DE AULA – 07 1. SISTEMA DE CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS A classificação dos aços segundo as normas da SAE (Society of Automotive Engineers - EUA) é a mais utilizada em todo o mundo para aços-carbono (aços sem adição de elementos de liga, além dos que permanecem em sua composição no processo de fabricação) e aços de baixa liga (aços com baixas porcentagens de elementos de liga). A classificação SAE é baseada na composição química do aço. A cada composição normalizada pela SAE corresponde a uma numeração com 4 ou 5 dígitos. A mesma classificação também é adotada pela AISI (American Iron and Steel Institute-EUA) No total são previstas muitas dezenas de classificações. Nelas, os 2 dígitos finais XX indicam os centésimos da porcentagem de C (carbono) contida no material, podendo variar entre 05, que corresponde a 0,05% de C, a 95, que corresponde a 0,95% de C. Se a porcentagem de C atinge ou ultrapassa 1,00%, então o final tem 3 dígitos (XXX) e a classificação tem um total de 5 dígitos. O sistema brasileiro da ABNT baseou-se nos sistemas americanos. Neles basicamente, os vários tipos de aço com até 1% de carbono, com os elementos comuns manganês, silício, fósforo e enxofre ou com a presença de elementos de ligas em baixos teores, são indicados por quatro algarismos: os dois últimos correspondem ao teor de carbono médio e os dois primeiros a presença ou não de elementos de liga. Assim, toda vez que os dois primeiros algarismos sejam 1 e 0, trata-se de aço-carbono; a mudança de um de um desses algarismos ou de ambos indica um novo tipo de aço, com a presença de outros elementos que não os comuns, ou com estes elementos comuns em teores superiores aos que são considerados normais. Por exemplo: � 1045 – aço ao carbono com teor médio de carbono de 0,45%; � 1120 – aço de fácil usinagem, ao enxofre, com média de 0,20% de carbono; � 4420 – aços ao Ni-Cr-Mo, com 1,85% Ni, 0,50% Cr, 0,25% Mo e 0,20% C A norma alemã DIN adota outro critério para classificar os aços. Os aços comuns, por exemplo, são indicados pelo símbolo St (Stahl = aço), seguido de um algarismo que corresponde ao valor mínimo de resistência a tração – St42, St35. Os aços especiais, com teores de carbono acima de 1% ou com presença de elementos de liga em altos teores, como aços para ferramentas e matrizes, resistentes a corrosão e ao calor etc., obedecem a outros critérios de classificação. Segue abaixo tabela com a classificação SAE/AISI para os diferentes tipos de aço. AISI-SAE TIPOS DE AÇO 10XX Aços-carbono comuns 11XX Aços de usinagem fácil, com alto S 12XX Aços de usinagem fácil, com alto P e S 15XX Aços-Mn com manganês acima de 1% 13XX Aços-Mn com 1,75% de Mn médio 40XX Aços-Mo com 0,25% de Mo médio 41XX Aços-Cr-Mo com 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo 43XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,65 a 2 de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo 46XX Aços-Ni-Mo com 0,7 a 2% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo 47XX Aços-Ni-Cr-Mo com 1,05% de Ni, 0,45% de Cr e 0,2% de Mo 48XX Aços-Ni-Mo com 3,25 a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo 51XX Aços-Cr com 0,7 a 1,1% de Cr E51100 Aços-cromo (forno elétrico) com 1% de Cr E52100 Aços-cromo (forno elétrico) com 1,45% de Cr 61XX Aços-Cr-V com 0,6 ou 0,95% de Cr e 0,1 ou 0,15% de V mín. 86XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo 87XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% de Mo 88XX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,3 a 0,4 de Mo 9260 Aços-Si com 1,8% a 2,2% de Si 50BXX Aços-Cr com 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003% de boro 51B60 Aços-Cr com 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro 81B45 Aços-Ni-Cr-Mo com 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro 94BXX Aços-Ni-Cr-Mo com 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% Mo e 0,0005 a 0,003% de boro 2 – EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS De um modo geral, ao introduzir-se elementos de liga nos aços, visam-se os seguintes objetivos: � Alterar as propriedades mecânicas � Melhorar a usinabilidade � Aumentar a temperabilidade � Conferir dureza a quente � Aumentar a capacidade de corte � Conferir resistência ao desgaste � Conferir resistência a corrosão � Conferir resistência à oxidação (ao calor) � Modificar os característicos elétricos e magnéticos Os elementos de ligas são introduzidos em teores e em números os mais variados. A não ser nos casos em que se desejem características especiais, como dureza a quente, inoxidabilidade, refratariedade, etc. A tendência moderna é adicionar vários elementos de liga simultaneamente, em baixos e médios teores. Os teores elevados de um ou mais elementos de liga são destinados para os casos em que se requer características especiais. O aumento das propriedades mecânicas, como dureza e resistência a tração, é conseguido, sobretudo porque os elementos de liga, além de aumentarem a resistência da ferrita, formam outros carbonetos, além do Fe3C. A figura abaixo mostra a ação de alguns elementos de liga que se dissolvem na ferrita, no sentido de aumentar a dureza dos aços. As ações mais positivas correspondem às do fósforo, silício, manganês e níquel. 3 – PRINCIPAIS TIPOS DE AÇO Em face às aplicações, serão considerados os seguintes tipos de aço: 3.1 – Aços para Fundição São os recomendados para fundição de peças empregadas em máquinas operatrizes, indústria automobilística, indústria ferroviária, indústria naval, implementos agrícolas, tratores, equipamentos para escavação e construção, equipamentos elétricos, na indústria química, equipamentos para refino de petróleo, indústria de papel entre outras. Os requisitos exigidos nos aços para fundição são homogeneidade, ou seja, seção sã em toda sua extensão, granulação fina e regular e total isenção de tensões. Além disso, propriedades mecânicas adequadas, as quais vão depender da maior ou menor responsabilidade das aplicações e são reguladas pelo teor de carbono, eventual adição de elemento de liga e tratamento térmico adequado. A homogeneidade das peças é obtida por projeto adequado tanto da peça como dos modelos e dos moldes, e técnica apropriada de fundição. A granulação é controlada pelo tratamento posterior de recozimento ou normalização e as tensões internas, se totalmente impossíveis de eliminar por projeto adequado, serão controladas pelo tratamento térmico de alívio de tensões. Os aços para fundição podem ser classificados nos seguintes grupos: � Aços de baixo carbono: até 0,20% � Aços de médio carbono: de 0,20% a 0,50% � Aços de alto carbono: acima de 0,50% � Aços-ligas de baixo teor em liga: soma dos elementos de liga inferior a 8% � Aços-ligas de alto teor em liga: soma dos elementos de liga acima a 8% 3.2 – AÇOS ESTRUTURAIS São aços empregados principalmente em construção civil e, sob o ponto de vista das aplicações que mais interessam, em equipamentos de transporte: veículos em geral, equipamentos rodoviário, ferroviário, naval, etc. Nessas aplicações, alguns requisitos são fundamentais: � Baixo custo; � Resistência mecânica; � Deformabilidade (plasticidade); � Soldabilidade, e � Relação adequada resistência / peso. Em principio, devem ser considerados dois tipos fundamentais: • Aços-carbono; • Aços de alta resistência e baixo teor de liga. Os primeiros são utilizados no estado simplesmente laminado, na forma de perfis estruturais como barra, tiras, cantoneiras, vigas em T, em U, em I, em L, etc. A maioria deles apresenta baixo a médio teor de carbono (entre 0,15 a 0,40%), o que lhes confere baixo custo, boatrabalhabilidade (ductilidade), soldabilidade e resistência mecânica satisfatória. Quando se deseja melhorar a resistência à corrosão, introduzem-se pequenas quantidades de cobre (em torno de 0,25%). Nos casos dos aços-liga de baixo teor em liga e alta resistência mecânica, o que se faz é introduzir vários elementos de ligas simultaneamente em pequenas quantidades, mantendo o carbono até um máximo de 0,25%. Por exemplo, pode-se aumentar o silício e o manganês até 0,90 e 1,75%, respectivamente, além de adicionar cobre até 1,30%, cromo até 1,25%, níquel até 2,0%, molibdênio até 0,25, zircônio até 0,15%, além do nióbio e do vanádio que também poderão ser adicionados. Os efeitos consistem em: • Aumento da resistência mecânica, o que possibilita um acréscimo na carga unitária aplicada na estrutura ou uma diminuição proporcional da seção; obviamente, tal resultado é de extrema importância na estrutura de veículos de transportes de todos os tipos; • Melhora da resistência a corrosão atmosférica, fator importante sobretudo no emprego de seções mais leves; • Melhora do limite de fadiga, e • Elevação da relação do limite de fadiga para o limite de resistência à tração. 3.3 – AÇOS PARA CHAPAS As chapas são materiais que exigem as seguintes características: � Elevada deformabilidade ou ductilidade, mesmo com redução da resistência mecânica; � Soldabilidade adequada; � Superfície sem defeito, e � Baixo custo. A palavra “chapa” compreende uma série de produtos, todos importantes para a indústria, podendo ser distinguidos conforme definições a seguir: � Folha – produto plano com espessura inferior a 0,3 mm e qualquer largura. � Tira – produto plano com espessura compreendida entre 0,3 e 5,0 mm e largura inferior a 300 mm. � Chapa fina - produto plano com espessura compreendida entre 0,3 e 6,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm. � Barra chata - produto plano com espessura superior a 5,0 mm e largura inferior a 300 mm. � Chapa grossa - produto plano com espessura superior a 5,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm. Por outro lado, devem-se distinguir, ainda, dois tipos de produtos planos de aço, de acordo com o revestimento protetor superficial: � Chapas galvanizadas – quando recobertas com zinco; � Folhas de flandres – quando recobertas com estanho. Na fabricação de chapas, devem-se evitar os defeitos superficiais conhecidos como os nomes de “linhas de Luder” ou “linhas de distensão” e “casca de laranja”. Chapa grossa Chapa fina O primeiro defeito, caracterizado pelo aparecimento de tiras alongadas, ocorre quando o aço é laminado pouco acima da carga correspondente ao limite de escoamento, condição essa que deve, portanto, ser evitada, porque se este não afeta as propriedades mecânicas do material, se apresenta com mau aspecto superficial, o qual não pode ser disfarçado nem mesmo pela aplicação da pintura. A casca de laranja corresponde a uma superfície grosseira e rugosa que aparece após a estampagem. O defeito é causado por granulação grosseira do material que vai ser estampado. Assim sendo, para chapas que vão ser submetidas à estampagem profunda, recomenda-se tamanho de grão intermediário, (entre 5 e 8 ASTM) devendo-se, por outro lado, evitar granulação muito fina que pode prejudicar a qualidade de estampagem do aço. 3.4 – AÇOS PARA TUBO Os tubos são produzidos essencialmente por dois processos: � A partir de tarugos cheios, adequadamente perfurados (tubos inteiriços ou sem costura). Denominados também de processo Mannesmann. � A partir de chapas grossas ou finas a quente que são dobradas na largura e suas extremidades soldadas (tubos soldados ou com costuras). Tubo inteiriço - aço Tubo soldado ou costurado – aço Freqüentemente, os tubos são estirados a frio para produzir paredes mais finas, diâmetros menores, proporcionar melhor acabamento superficial, obter tolerâncias dimensionais mais estreitas, obter formas diferentes da circular e melhorar igualmente as propriedades de resistência à tração. Os aços para tubos são comumente de baixo carbono (máximo de 0,30%) e manganês até 1,50%. O limite de resistência à tração, no estado recozido, pode variar de 32 a 50 kgf/mm2, o alongamento de 28 a 18%; no estado trefilado duro, o limite de resistência à tração varia de 45 a 65 kgf/mm2 e o alongamento de 6 a 4 %. Para aplicações a temperaturas elevadas, torna-se necessário adicionar cromo, que melhora a resistência à corrosão e à oxidação, e molibdênio, que melhora as propriedades de fluência. Esses elementos são adicionados em teores de 0,50% a 10,00% para o cromo e de 0,45 a 1,10% para o molibdênio, dependendo das condições de serviço. 3.5 – AÇOS PARA ARAMES E FIOS Os arames e fios são produtos com as mais variadas aplicações, desde as mais simples, como para cercas ou fabricação de pregos, até as mais críticas, para molas, para cabos de elevadores, de guindastes, de pontes rolantes, de pontes suspensas e os chamados “fios de música” ou “cordas de piano”, os quais, devido à composição química, controle de fabricação e tratamento térmico especial (“patenteamento”) são considerados entre os mais sofisticados produtos de aço. Conceito Não há uma distinção precisa entre “arame” e “fio”. Podem-se definir ambos como produtos obtidos por trefilação, apresentando seção transversal uniforme, muito pequena em relação ao comprimento, geralmente circular, mas eventualmente quadrada, meio circular, hexagonal. Processo de Trefilação A trefilação, feita normalmente a frio, encrua o material, que pode ser empregado nesse estado ou então passar por um tratamento de recozimento posterior a trefila. Os fios de aço-carbono são os mais importantes, porque apresentam as melhores propriedades mecânicas e se destinam às aplicações da indústria mecânica. Esses podem ser agrupados em dois grupos: => Não patenteados Indicados para eletrodos de soldagem utilizados no revestimento de peças que devam apresentar considerável resistência ao desgaste ou em peças que serão submetidas a tratamentos térmicos posteriores, como arruelas de pressão e certos tipos de molas, peças essas que, depois de conformadas, serão temperadas e revenidas. Arruela de pressão Mola => Patenteados Sujeito a tratamento térmico de “patenteamento”, o qual consiste em aquecer o fio a uma temperatura acima de A3, seguindo-se resfriamento rápido ao ar ou preferivelmente em banho de sal ou de chumbo mantidos a uma temperatura entre 450 e 550ºC. A estrutura resultante é perlita fina ou baianita, ou perlita fina e ferrita, dependendo da composição do aço e do meio de resfriamento. Essa estrutura é a que melhor se presta para produzir, após a trefilação, os mais elevados limites de proporcionalidade, escoamento e de resistência a tração. Além disso, a tenacidade do material é elevada, de modo que ele pode ser convenientemente deformado ou conformado. Cabo de aço Fio de aço p/piano
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