Materiais Metálicos - Ligas Metálicas

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PERNAMBUCO.
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
DISCIPLINA :PRINCÍPIOS DA CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
MATERIAIS METÁLICOS:
LIGAS METÁLICAS
Profº. Felicissimo Graciliano Sady Costa
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METAIS
OPERAÇÕES DE CONFORMAÇÃO
A maioria dos metais são encontrados na natureza como óxidos metálicos.
Refino é o processo pelo qual os óxidos metálicos são convertidos em metais puros, através do uso de um agente químico redutor.
Operações de conformação são técnicas usadas para alterar a forma de metais sem fusão. Essa operaçõe podem ser:
Forjamento; Laminação; Extrusão; Trefilação
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FORJAMENTO
Deformação mecânica dos metais. Consiste em mudar a forma do metal através do materlamento ou prensagem. O ferreiro dar forma a uma ferradura de forma clássica. Em uma instalação industrial moderna, uma peça metálica é forjada para sua forma final pressionando-a entre matrizes.
LAMINAÇÃO
Redução da espessura de uma chapa metálica, pressionando-a entre dois cilindros, que aplicam uma força compressiva.
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EXTRUSÃO
Processo no qual um material é empurrado através de uma matriz, fazendo com que o material adquira a forma da abertura da matriz.
TREFILAÇÃO
Processo no qual um metal é puxado através de uma matriz, de modo que ele forma um tubo, ou um arame com o mesmo diâmetro da abertura da matriz.
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TRABALHO A FRIO
A deformação do material acima do limite de escoamento, mas abaixo da temperatura de recristalização, resultando em um aumento do limite de escoamento, porém em redução da ductilidade.
É resultante da tensão imposta ao material durante a conformação. Quando o material é submetido a tensões acima do limite do limite de escoamento, ele sofre significativa deformação plástica. Quando as tensões são aliviadas, o comportamento do material seguirá um percurso linear, paralelo à parte elástica da curva tensão x deformação original.
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Entretanto, o limite de escoamento do material aumento para o nível de tensão imposta. Logo, a microestrutura do material deformou para suportar a tensão imposta e pode suportar mesmo nível de tensão novamente sem deformação adicional.
PORCENTAGEM DE TRABALHO A FRIO (%TF)
A representação da quantidade de deformação plástica sofrida por um metal durante o endurecimento por deformação (trabalho a frio).
Muitos metais passam por um processo de endurecimento por deformação para aumentar suas propriedades mecânicas. 
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Mas, nem tudo relacionado ao endurecimento por deformação é benéfico ao metal. O metal endurecido se torna menos dúctil e mais difícil de usinar.
Adicionalmente, a deformação plástica pode resultar em tensões residuais, que permanecem no material mesmo após as tensões externas terem sido removidas. Essas tensões podem afetar a condutividade e a resistência à corrosão.
A mudança da microestrutura do metal durante o trabalho a frio pode ser revertida por um processo de recozimento, que também reverte as propriedades mecânicas aos seus níveis originais. 
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RECOZIMENTO
Processo de tratamento térmico que reverte as mudanças na microestrutura de um metal ocorridas após trabalho a frio. Ocorre em três etapas:
Recuperação – Recristalização – Crescimento de Grão
Recuperação – Primeira etapa do recozimento, na qual há formação de subgrãos nos grandes grãos deformados do material e as tensões residuais são reduzidas. O metal endurecido por deformação tem grãos que foram deformados pelas tensões aplicadas.
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Durante a recuperação esses grandes grãos deformados formam subgrãos, resultando em uma redução de tensões residuais no material. 
A densidade total de discordâncias não varia durante a recuperação, de modo que as propriedades mecânicas permanecem virtualmente sem mudanças, mas as condutividades revertem aos seus níveis originais.
Recristalização – É a segunda etapa do recozimento, onde a nucleação de pequenos grãos ocorre nos contornos de subgrãos, resultando em uma redução significativa no número de discordâncias presentes no metal.
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Temperatura de recristalização – Temperatura na qual ocorre a recristalização total do material no intervalo de tempo de uma hora. Na recristalização o material volta a ter suas propriedades originais, se tornando menos resistentes e com menor dureza, porém mais dúctil.
A recristalização é um fenômeno cinético que varia com o tempo e com a temperatura. A temperatura de recristalização varia com a quantidade de trabalho a frio que o metal for submetido.
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Crescimento de Grão – A terceira etapa do recozimento, dependente da temperatura, que pode ser descrita usando a equação de Arrhenius.
Consiste no crescimento dos grãos pequenos, consumindo, em última análise, os grãos vizinhos.
Trabalho a Quente – Processo no qual as operações de conformação ocorre acima da temperatura de recristalização do metal. A recristalização ocorre continuamente e o material pode ser deformado plasticamente de maneira indefinida. 
Não ocorre endurecimento devido à deformação plástica e o material permanece dúctil.
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LIGAS METÁLICAS
Misturas de dois ou mais metais ou ametais, formando uma solução sólida.
Ferro Gusa – Metal resultante do processo de fabricação do aço após as impurezas terem se difundido para a escoria. Quando tratado com oxigênio para remover o excesso de carbono, o ferro gusa se torna aço
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AÇOS
Ligas de Fe-C que podem conter grandes concentrações de outros elementos de liga:
De diferentes composições;
Tratamento térmico.
As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono que é normalmente menor do que 1,0% em peso.
Os mais comuns são classificados de acordo com a concentração de carbono.
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Existem subclasses de cada grupo segundo a concentração de outros elementos.
Aço-carbono – Liga comum formada de átomos intersticiais de carbono em uma matriz de ferro.
Aços-carbono comuns possuem concentrações residuais de impurezas outras que não o carbono.
Para aços-liga elementos de liga são adicionados especificamente.
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Baixo-carbono que contém menor de 0,25% de carbono (em peso), não responde a tratamentos térmicos. O endurecimento é realizado a frio. Sua microestrutura é composta de ferrita e perlita.
São ligas de características macias e fracas. Possuem grande ductilidade e tenacidade.
Baixo custo de produção e são usináveis e soldáveis.
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São aplicados normalmente em:
Automóveis (carrocerias)
Estruturas (vigas I, cantoneiras U e L)
Chapas para tubulações
Latas de estanho
Escoamento : 275 Mpa
Tração : 415 a 550 Mpa
Ductilidade : 25% de elongação.
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Outro grupo de aços de baixo-carbono são os chamados aços de baixa liga e alta resistência mecânica (HSLA).
Eles contêm outros elementos de liga tais como cobre, vanádio, níquel e molibdênio, em concentrações combinadas de até 10% em peso, o que confere ao aço maior resistência mecânica do que os aços de baixo-carbono.
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Podem ser endurecidos por tratamento térmico, fornecendo resistência à tração maior que 480 MPa.
São dúcteis, conformáveis e usináveis.
Em atmosferas normais os HSLA são mais resistentes à corrosão do que aços-carbono comuns.
Usados em: Pontes, Torres, Colunas , Vasos de Pressão.
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AÇOS MÉDIO CARBONO
São aços cuja concentração de carbono em peso varia de 0,25% a 0,60%.
Pode ser tratado termicamente por austenização, têmpera e a seguir revenimento para melhorar suas propriedades mecânicas. São muitas vezes utilizados na condição revenida, tendo microestruturas martensita revenida.
Revenimento – Tratamento térmico utilizado no aço para corrigir inconvenientes decorrentes da têmpera, sendo portanto, aplicado após ela.
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Aços de médio-carbono têm baixa temperalidade e só podem ser tratados termicamente com sucesso em seções muito finas e com taxas de resfriamento muito grandes.
Adição de cromo, níquel e molibdênio, melhoram a capacidade destas ligas serem tratadastermicamente, dando origem a uma variedade de combinações de resistência mecânica e ductilidade.
As ligas tratadas termicamente são mais fracas do que os de baixo-carbono, mediante um sacrifício da ductilidade e da tenacidade.
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AÇOS DE ALTO CARBONO
Aços que contêm usualmente cromo, vanádio, tungstênio e molibdênio.
Estes elementos se combinam com o carbono para formar compostos de carboneto muito duros e resistentes ao desgaste. São utilizados como ferramentas de corte e matrizes para transformação de materiais (facas, navalhas, lâminas de serra, molas e fios de alta resistência mecânica).
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AÇOS INOXIDÁVEIS
São muito resistentes à corrosão numa variedade de ambientes, principalmente o atmosférico.
O elemento de liga que predomina é o cromo, com concentração mínima de 11% em peso.
A resistência à corrosão pode ser aumentada pela adição de níquel e molibdênio.
 Com base na fase predominante constituinte da microestrutura:
 Martensítico; Ferrítico; Austenítico
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Martensítico
São os capazes de ser termicamente tratados de forma que a martensita é o micro constituinte principal.
Martensita – Produto fora do equilíbrio do aço, formado pela transformação adifusional da austenita.
Transformação Martensítica – Conversão adifusional de uma rede de uma estrutura para outra, ocasionado por um resfriamento rápido.
Ferrítico
São compostos pela fase ferrita-alfa (CCC).
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Austenítico
São os mais resistentes à corrosão por conta dos altos teores de cromo e das adições de níquel, sendo este tipo de aço o mais produzido.
Austenita – Fase presente no aço, na qual o ferro está numa rede CFC e na qual o carbono tem maior solubilidade.
Austenitização – Processo através do qual a rede de ferro no aço se reorganiza de uma estrutura CCC para CFC
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CARACTERÍSTICAS
Aços inoxidáveis martensíticos e ferríticos são magnéticos. Os austeníticos não são.
Aços inoxidáveis austeníticos e ferríticos são endurecidos e fortalecidos por meio de trabalhos a frio, pois não são suscetíveis a tratamento térmico.
Alguns são fortalecidos por tratamento térmico de endurecimento por precipitação. Tornam-se resistentes a altas temperaturas e a oxidação.
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FERRO FUNDIDO
Ligas ferrosas com percentual de carbono acima de 2,1% em peso.
FERRO FUNDIDO COMUM
3,0 A 4,5 % de Carbono em peso com adição de outros elementos de liga.
Tornam-se completamente líquidas entre 1150 e 1300°C.
São frágeis diante da técnica de fabricação que é a fundição.
Nos ferros fundidos o carbono existe como grafita. Sua microestrutura e comportamento mecânico depende do tratamento térmico.
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FERRO FUNDIDO CINZENTO
TEOR DE CARBONO (em peso)
2,5 a 4,0%
+
SILÍCIO (em peso)
1,0 a 3,0%
A maioria dos ferros fundidos possuem grafita na forma de flocos circundado por uma matriz de ferrita – alfa ou de perlita.
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Em função dos flocos uma superfície fraturada tem aparência cinza.
Mecanicamente o ferro fundido é fraco e frágil à tração em função da sua microestrutura.
Os extremos dos flocos são pontiagudos e dirigidos podendo servir como pontos de concentração de tensão quando uma tensão externa de tração for aplicada.
Têm alta resistência e ductilidade para tensões de compressão.
Muito eficientes no amortecimento de energia vibracional.
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Em adição, exibem alta resistência ao desgaste.
No estado líquido têm alta fluidez à temperatura de fundição, permitindo a fundição de peças de formas intricadas, com contração de fundição baixa.
São mais baratos.
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FERRO FUNDIDO NODULAR
Também conhecido como dúctil.
Adição de pequena quantidade de magnésio e/ou cério no ferro fundido cinzento antes da fundição. A grafita ainda se forma, mas como nódulos ou partículas esféricas em vez de flocos.
Produz microestrutura e conjunto de propriedades mecânicas distintamente diferentes.
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FERRO FUNDIDO BRANCO
Para ferros fundidos de baixo teor de silício 
(< 1,0% de Si em peso) e altas taxas de resfriamento, a maioria do carbono existe como cementita em vez de grafita. 
Uma superfície de fratura desta liga tem uma aparência branca e assim denominado de ferro fundido branco.
A microestrutura do ferro fundido branco se apresenta em seções espessas que podem ter apenas uma camada superficial de ferro fundido branco que foi arrefecida (resfriamento brusco e profundo) durante o processo de fundição.
Nas regiões interior se formam ferro fundido cinzento, que se resfriam mais lentamente.
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Como consequência da grande quantidade da fase cimentita, o ferro fundido branco é extremamente duro, mas também muito frágil, ao ponto de ser virtualmente não usinável. 
Seu uso está limitado a aplicações que necessitam de uma superfície muito dura e resistente ao desgaste e sem um alto grau de ductilidade, por exemplo como rolos de moinho.
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FERRO FUNDIDO MALEÁVEL
Geralmente o ferro fundido branco é usado como um intermediário na produção do ferro fundido maleável.
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
Aquecer o ferro fundido branco até a temperatura entre 800 e 900°C durante um prolongado período de tempo, numa atmosfera neutra (para prevenir oxidação) causa a decomposição da cementita, formando grafita que existe na forma de cachos ou roseta circundada por uma matriz de ferrita ou perlita, dependendo da taxa de resfriamento. A microestrutura é similar à de um ferro fundido nodular, o que explica a resistência mecânica relativamente alta e a apreciável maleabilidade (ductilidade) 
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GRAFITA COMPACTA (CGI)
Como nos ferros fundidos cinza, dúcteis e maleáveis, o carbono existe como grafita, sendo sua formação promovida pela presença de sílica. Considerando que a concentração de carbono está entre 3,1% e 4,0% em peso, a concentração de sílica estará entre 1,7% e 3,0%. A microestrutura da grafita nas ligas CGI apresenta-se em forma vermicular.
CARACTERÍSTICAS DO CGI
Alta condutividade térmica
Melhor resistência ao choque térmico (fraturas resultantes de mudanças bruscas de temperaturas)
Menor oxidação à temperaturas elevadas.