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Aula_14_-Materiais_para_construcao_Mecanica-Aco (1)

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Aula XIV – Materiais para construção mecânica – Aços
Prof. Dr. Rita Sales
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Aços
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Aços com baixo teor de carbono comuns
Menos de 0,25% de carbono = mais produzidos, utilizados e mais baratos. 
Não formam martensita. Portanto, só podem ser endurecidos por trabalho a frio.
Microestrutura = perlita e ferrita. 
Dúcteis e tenazes além de facilmente conformáveis, usináveis e soldáveis. Ex: carcaças dos automóveis, na construção civil e na indústria de embalagens para alimentos (estanhados). 
São exemplos deste tipo de aço os AISI 1010 e o AISI 1020. 
Resistência mecânica variam entre 415 e 550 MPa (limite de resistência), com alongamentos típicos da ordem de 25%.
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Aços com baixo teor de carbono, alta resistência e baixa liga (HSLA): 
Mais resistentes que os aços comuns de baixo carbono por possuírem outros elementos de liga como Cu, V, Ni e Mo em concentrações combinadas que podem chegar a até 10% em peso. 
 A grande maioria dos aços HSLA (high strength low alloy) apresenta um limite de resistência superior a 480 MPa, obtida através de tratamentos térmicos, 
Maior resistência a corrosão que os aços comuns. 
Aplicações típicas destes aços são na construção civil, mais especificamente em pontes, torres e em vigas utilizadas na estrutura de arranha-céus. 
O aço AISI A440 é um exemplo desta família de aços.
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Aços com médio teor de carbono
Concentração de carbono = 0,25 a 0,60%.
T.T.= austenitização, têmpera e revenido, 
Microestrutura = martensita revenida. 
Temperabilidade destes aços é baixa.
Adições de Cr, Ni e Mo em geral melhoram a temperabilidade. 
Ex: Rodas e trilhos ferroviários, engrenagens, virabrequins, etc. 
O aço 1040, com um limite de resistência da ordem de 780 MPa é um exemplo típico desta família de aços.
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Aços liga: 
Médio teor de carbono e podem ser classificados dentro da família dos aços de médio carbono, porém adições de Mn, Si, Cr, Ni e Mo aumentam significativamente sua resistência. 
Aços como o AISI 4340, bastante empregado na indústria aeronáutica, contém cerca de 1,6 a 2,0% de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e 0,2 a 0,3% de Mo e podem atingir uma resistência a tração que varia de 980 até 1960 MPa, porém quando tratado a níveis de resistência muito altos sofre significativa perda em ductilidade e tenacidade.
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Aços com alto teor de carbono
Teor de carbono varia entre 0,60 a1,4%.
São os mais resistentes e de maior dureza entre os aços ao carbono, porém os menos dúcteis. 
São quase sempre utilizados na condição temperada e revenida, na qual apresentam boas características quanto ao desgaste e abrasão. 
O aço 1095 por exemplo pode atingir uma resistência de 1280 MPa, porém com um alongamento de apenas 10%. 
Quando adiciona-se Cr, V, W e Mo a sua composição, dão origem aos aços ferramenta, que são muito mais duros e resistentes ao desgaste por formarem carbonetos como Cr23C6, V4C3 e WC.
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Aços inoxidáveis
Elevada resistência a corrosão em vários ambientes, especialmente em ambiente atmosférico. 
Seu principal elemento de liga é o Cr, que em teores acima de 12% em peso, forma uma eficiente camada passivadora que lhe confere a resistência a corrosão. 
Os aços inoxidáveis são divididos em 3 tipos, dependendo das fases predominantes em sua microestrutura. 
Apresentam uma larga faixa de propriedades mecânicas que, aliadas a boa resistência a corrosão, os torna muito versáteis, para as mais diversas aplicações. 
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Os aços inoxidáveis martensíticos 
Possuem entre 12 e 17% em peso de Cr e um teor de carbono entre 0,15 e 1% suficiente para a formação de martensita a partir de um tratamento de solubilização, têmpera e revenido.
Como a composição destes aços é ajustada para otimização das propriedades mecânicas, sua resistência a corrosão é a menor entre os três tipos de aços inoxidáveis. 
A resistência a tração do aço AISI 440 (0,70% de C), bastante usado em instrumentos cirúrgicos e dentários, além de molas e rolamentos, pode chegar a cerca de 1800 MPa, porém com sensível perda na ductilidade e tenacidade. São indicados para aplicações que requerem boa resistência mecânica, resistência à fadiga, associadas a uma moderada resistência à corrosão e a temperaturas até 650oC.
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Os aços inoxidáveis austeníticos 
16 a 25% de Cr e 7 a 20% de Ni. 
A presença de Ni resulta num aço com microestrutura austenítica mesmo a temperatura ambiente. 
Em geral possuem a melhor resistência a corrosão devido ao baixo teor de carbono que contém. 
A série mais conhecida é a AISI 3XX, dentre eles os aços 301 e 304. 
Endurecíveis apenas por deformação (trabalho a frio), ou como no caso dos aços da série AISI 2XX, por solução sólida . 
Adição de Mo resulta nos tipos 316 e 317, mais resistentes a corrosão em ambientes ácidos. 
Os tipos de mais
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O 309 e 310 são destinados a aplicações que exijam resistência a oxidação em temperaturas mais altas. 
Sua resistência a corrosão pode ser comprometida se estes forem submetidos a certas faixas de temperatura por determinados períodos de tempo em condições que favoreçam a precipitação de carbonetos de cromo.
A redução no teor de carbono (como por exemplo o aço 304L que contém apenas 0,03% de C contra os 0,08% do aço 304) reduz a susceptibilidade a esta sensitização. Adições de Ti (tipo 321) ou Nb (tipo 347) que são formadores de carbonetos, tornam estes aços bem menos susceptíveis ao fenômeno de sensitização, elevando significativamente a temperatura de serviço e tornando possível a soldagem destes aços.
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Os aços inoxidáveis ferríticos 
São formados pela fase ferrita (a) e podem conter de 10 a 30% de Cr, com pequenas quantidades de elementos formadores de austenita como C, N e Ni. 
Só podem ser endurecidos por deformação (trabalho a frio). 
O uso destes aços depende do teor de Cr: os de baixo Cr (menos que 11%), como os tipos 405 e 409 têm boa resistência a corrosão, boa fabricabilidade e baixo custo e sua maior utilização é na indústria automobilística. 
Os aços de médio teor de Cr (entre 16 e 18%) como os tipos 430 e 434, são bastante utilizados em utensílios de cozinha, apesar de não terem boas características de fabricação por terem baixa tenacidade e baixa soldabilidade. 
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Os aços de alto cromo (19 a 30%) como os tipos 442 e 446 são também conhecidos como superferríticos. São aplicados onde alto nível de resistência à corrosão e oxidação são necessários. 
Em geral possuem teores de C e N muito baixo, e adições de Ti e Nb previnem ainda mais o fenômeno da sensitização nestes aços, melhorando a soldabilidade. 
Os aços inoxidáveis superferríticos exibem excelente resistência (muito maior que a dos aços inoxidáveis austeníticos) à corrosão localizada, induzida pela presença de soluções aquosas de cloretos e por isso são mais resistentes a corrosão por pittings e corrosão sob tensão nestes ambientes. São bastante utilizados em trocadores de calor e em sistemas de bombeamento de soluções ricas em soluções cloradas e salinas.
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Os aços inoxidáveis duplex 
Microestrutura, formada por 50% de fase ferrita e 50% de fase austenita. 
Maior resistência a corrosão sob tensão que os aços inoxidáveis austeníticos devido a presença de ferrita, e possuem maior tenacidade que os aços inoxidáveis ferríticos devido a presença da austenita. 
O limite de escoamento na condição recozida por exemplo, pode chegar 690 MPa, valor muito maior do que o limite de escoamento das duas fases isoladas. 
São empregados em sistemas de bombeamento em indústrias petroquímicas e de produção de papel, e possuem uma limitada temperatura de trabalho (em torno de 280oC) devido a possibilidade de fragilização.
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Os aços inoxidáveis PH 
Podem ser tanto austeníticos quanto semi- austeníticos ou martensíticos, dependendo dos teores de elementos de liga que possuem. 
Baixos teores de carbono = mecanismo de endurecimento é por precipitação, mesmo para os martensíticos. 
Os elementos de liga adicionados,
além do Cr e Ni, são Al, Ti, Nb e/ou Cu. 
Possuem boa ductilidade e tenacidade aliada a uma moderada (tendendo para boa) resistência à corrosão. Nível de resistência mecânica graças ao endurecimento por precipitação. 
Limites de escoamento =1700 MPa Devido aos níveis incomuns de resistência mecânica e ao preço, uso no setor aeroespacial e a outras indústrias de alta tecnologia.
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A seleção dos aços inoxidáveis 
Para utilização em geral é baseada primeiramente na resistência a corrosão e em segundo lugar na resistência mecânica. 
Outros fatores: fabricabilidade, resistência ao desgaste, temperatura de serviço, tenacidade e algumas propriedades físicas naturalmente devem ser considerados para aplicações específicas. 
Resistência a corrosão: grande preocupação é evitar situações nas quais possa ocorrer falha inesperada e muitas vezes catastrófica de componentes devido a problemas em regiões específicas do material, enquanto o restante permanece intacto. O fato do material como um todo parecer saudável enquanto regiões específicas sofrem ataque corrosivo dificulta a detecção durante a inspeção rotineira de componentes em serviço. Algumas das formas de ataque localizado são a corrosão sob tensão, corrosão por pittings e sensitização. É possível encontrar em literatura especializada, o comportamento dos principais aços inoxidáveis comerciais frente aos mais diversos ambientes corrosivos.
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Para seleção de aços inoxidáveis, é bastante comum partir-se do tipo AISI 304, que é o mais comumente utilizado. Este possui de uma maneira geral boa resistência a corrosão. Se o nível de resistência a corrosão deve ser maior, como por exemplo em aplicações industriais, os tipos 316 e 317 devem ser considerados.
Se a temperatura de utilização tiver que ser elevada, os tipos 321 e 347.
Em ambientes severamente corrosivos, deve-se considerar o uso dos aços duplex ou dos superferríticos. 
Ao contrário, para ambientes menos corrosivos, aços ferríticos como o 430 podem ser considerados por serem muito mais baratos que os aços 304 ou 316. 
Se for necessário um aço inoxidável com alta resistência mecânica, os aços PH devem ser utilizados. 
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Aços de alta resistência. 
 Aços de alta resistência são designados os aços que tem tensão de escoamento acima de 1200 MPa. Se trata de aços-liga com teores de elementos de liga desde alguns % até cca 30%. 
Os elementos de liga são adicionados para garantir a temperabilidade (capacidade de obter alta dureza com a têmpera). O nível máximo da resistência depende principalmente do teor de carbono.
 Muitos aços de alta resistência são variações do aço 4340 (SAE). 
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O nível da resistência exigida para componentes forjados da fuselagem pode ser atendida por este aço ou com as suas modificações obtidas com adições de silício e vanádio (1.45% - 1.80% Si, min. 0.05% V). Para peças forjadas de tamanho pequeno se emprega também o aço 4330 (SAE).
Os aços de alta resistência são extremamente sensíveis à presença de inclusões não metálicas – que agem dentro do material como concentradores da tensão reduzindo a tenacidade da fratura e a ductilidade. Para minimizar o teor destas impurezas os aços de alta resistência para uso aeroespacial são refundidos sob vácuo. Na tabela abaixo estão comparadas algumas das propriedades do aço 4340 em função da sua pureza.
 
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Os dois aços tem o mesmo valor da tensão de escoamento, mas o aço de alta pureza tem maior ductilidade e maior tenacidade da fratura que levam à maior tolerância ao dano. 
Os aços de alta resistência em geral são protegidos contra a corrosão com recobrimentos orgânicos ou metálicos. Uma grande desvantagem destes aços é a sua tendência a corrosão sob tensão e fragilização por hidrogênio, que pode ser reduzida com o projeto- garantindo uma distribuição das tensões mais adequada. 
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Os grandes feitos são conseguidos não pela força, mas pela perseverança.
Samuel Johnson
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