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* PARTE 11 LIGAS METÁLICAS Critérios de Classificação dos Aços Aços Carbono Aços Liga Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS Ligas Ferrosas * NORMAS MAIS UTILIZADAS SAE (Society of Automotive Engineers) AISI (American Iron and Steel Institute), ASTM (American Society of Testing and Materials) ASME (American Society of Mechanical Engineers) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) DIN (Deutsches Insitut für Normung). Norma técnica alemã UNS (Unified Numbering System). A normalização unificada é uma norma mais recente que vem sendo utilizada com freqüência cada vez maior. Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6337-classificacao-dos-acos-estruturais-codigos-de-identificacao#.W7URl3tKhhE * Os links abaixo dão acesso às diversas especificações: Alemanha: Deutsches Institut für Normung eV Australia: Standards Australia Dinamarca: Dansk Standard (DS) Estados Unidos: American National Standards Institute (ANSI) American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Standards of Testing and Materials (ASTM) Europa - União Européia: Comité Européen de Normalisation França: Association française de normalisation (AFNOR) Italia: Ente Nazionale Italiano di Unificazione (UNI) Japão: Japanese Industrial Standards (JIS) Suécia: Standardiseringen i Sverige (SIS) Reino Unido: British Standards Institution (BSI) NORMAS MAIS USADAS * Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS LIGAS FERROSAS - CLASSIFICAÇÃO * AÇOS CARBONO Fonte: Vicente Chiaverini – Aços e Ferros Fundidos Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS Tabela – Sistemas SAE, AISI e UNS de Classificação de Aços BAIXA LIGA XX e XXX correspondem ao %C FABIANA - Na classificação AISI, as únicas alteraçoes são a introdução de letras de A a E antes dos 4 ou 5 dígitos para designar o tipo de forno onde o aço foi fabricado: A -Siemens´-Martin básico (aço-liga); B-Bessemer ácido (aço-carbono); C - Siemens´-Martin básico (aço-carbono); D-Siemens´-Martin ácido (aço-carbono; e E- forno elétrico.; * AÇOS CARBONO DEFINIÇÃO Os Aços-carbono possuem na sua composição apenas quantidades limitadas dos elementos C, Mn, Si, Al, S e P. Outros elementos existem apenas em quantidades residuais. A quantidade de Carbono presente no Aço define a sua clclassificação: Baixo carbono possuem no máximo 0,25% de C em peso; Médio carbono possuem de 0,25 a 0,60% de C em peso Alto carbono possuem de 0,60 a 1,4% de C em peso. Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS Fonte: Callister – Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais * AÇOS CARBONO IMPUREZAS S, P, Mn, Al e o Si. A maior parte reage com O e N formando inclusões não-metálicas como óxidos, sulfetos, silicatos, aluminatos e nitretos Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS O S (enxofre) forma FeS de ↓ ponto de fusão em relação ao aço (solidifica a 1000ºC) provocando a fragilidade a quente – prejudica a conformação a quente. O P (fósforo) tende a expulsar o C da austenita (segregação) → no resfriamento as áreas ricas em P são praticamente constituídas de ferrita. O P ainda dissolvido endurece a ferrita ocasionando a fragilidade a frio (↓ tenacidade) - quanto ↑%C ↑ influência do P. Formação de um eutético fosforoso com % de P acima de 0,4% com temperatura de fusão pouco acima de 1000°C – causa o esboroamento do aço quando este for conformado a quente. Para aços com ↓%C o P é favorável pois ↑ dureza e a resistência a tração. O P melhora a resistência à corrosão e a usinabilidade, melhor se combinado com S. O (oxigênio) forma óxidos de composições variadas. H (hidrogênio) geralmente em teores entre 0,001 a 0,0001% já fragiliza o material. Diminui a resistência mecânica e a ductilidade. * AÇOS CARBONO IMPUREZAS Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS O Al (alumínio) age como desoxidante formando partículas diminutas de inclusões com o O. O Al ainda atua como controlador do crescimento de grão dos aços. O Mn (manganês) age como desoxidante (MnO – evita o desprendimento de bolhas) e como dessulfurante (forma MnS - maior afinidade do S pelo Mn que pelo Fe). As partículas de sulfeto formadas são diminutas e relativamente plásticas com ponto de fusão ~ 1600ºC eliminando a fragilidade a quente. N (nitrogênio) forma agulhas de nitreto de ferro endurecendo a matriz. Si (silício) age como desoxidante. Quando adicionado ao aço líquido combina-se com o O formando silicatos. Varia nos aços comuns entre 0,05% a 0,3%. A adição deve ser controlada devido a formação de inclusões de silicatos – alongadas com arestas vivas favoráveis a concentração de tensões indesejadas. Dissolve-se na α aumentando ligeiramente a dureza e a resistência mecânica. * Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS MICROESTRUTURAS Seção longitudinal de uma peça fina de aço carbono entre 0,4 e 0,6%C recozido. Estrutura alinhada com inclusões de MnS extremamente longas Aumento: ± 150X Micrografia de aço carbono entre 0,3 e 0,4%C laminado e recozido . Teor de P relativamente alto indicado pela presença de “ghost lines” (faixas de ferrita ricas em P*). Aumento: ± 150X * P tende a expulsar o C da austenita, de modo que no resfriamento as áreas ricas em P ficam são constituídas somente de ferrita. * AÇOS CARBONO O sistema de classificação mais adotado na prática é o SAE-AISI. Nele, o Aço carbono utiliza o grupo 1xxx, e é classificado da seguinte forma: 10xx : Aço carbono comum (Mn : 1,00% máx.) 11xx : com alto S – usinagem fácil 12xx : com alto S e P – usinagem fácil 13xx: Aço carbono comum (Mn médio 1,75%) 15xx : Aço carbono comum (Mn : 1,00 a 1,65%) Obs.: O S se combinado com o Mn forma MnS que favorece a usinagem com a formação de cavacos que se quebram facilmente. CLASSIFICAÇÃO Fonte: http://www.infomet.com.br/h_acos_carbono.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS CARBONO CARACTERÍSTICAS Aços baixo carbono - ↓ resistência mecânica e dureza e ↑ tenacidade e ductilidade. São usináveis e soldáveis e apresentam baixo custo de produção. Normalmente não são temperados. Aplicações: chapas para automóveis, perfis estruturais e placas utilizadas na fabricação de tubos, construção civil, pontes e outros. Exemplos: AISI 1010 – aço carbono entre 0,08 – 0,13%C, 0,3 – 0,6% Mn, 0,04% P máximo e 0,05% S máximo (em peso). AISI 1110 - aço carbono entre 0,08 – 0,13%C, 0,3 – 0,6% Mn, 0,04% P máximo e 0,08 – 0,13% S (em peso). AISI 1211 - aço carbono entre 0,13%C máximo, 0,6 – 0,9%Mn, 0,07 – 0,12%P e 0,10 – 0,15% S máximo (em peso). O Mn aumenta a resistência à tração. AISI 1330 - aço carbono entre 0,22% e 0,33%C, 1,6 – 1,9% Mn, 0,15-0,35% Si, 0,035% Pmáx. e 0,04% Smáx. (em peso). Fonte: http://www.infomet.com.br/h_acos_carbono.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS CARBONO CARACTERÍSTICAS Aços médio carbono - possuem C suficiente para a realização de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. Possuem ↑ resistência e dureza e ↓ tenacidade e ductilidade do que os aços baixo carbono. Aplicações: utilizados em rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas que necessitam de elevadas resistências mecânica e ao desgaste e tenacidade. Exemplos: AISI 1050 – aço carbono entre 0,48 – 0,55%C, 0,3 – 0,6% Mn, 0,04% P máximo e 0,05% S máximo (em peso). AISI 1548 - aço carbono entre 0,44 – 0,52%C, 1,1 – 1,4% Mn, 0,04% P máximo e 0,05% S máximo (em peso). Fonte: http://www.infomet.com.br/h_acos_carbono.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS CARBONO CARACTERÍSTICAS Aços alto carbono - são os de ↑↑ resistência e dureza, porém de ↓ductilidade entre os aços carbono. São quase sempre utilizados na condição temperada e revenida, possuindo boas características de manutenção de um bom fio de corte. Aplicações: talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas. Exemplos: AISI 1070 – aço carbono entre 0,6 – 0,75%C, 0,3 – 0,6% Mn, 0,04% Pmáximo e 0,05% S máximo (em peso). AISI 1566 - aço carbono entre 0,6– 0,71%C, 0,85 – 1,15% Mn, 0,04% Pmáx. e 0,05% S máximo (em peso). Fonte: http://www.infomet.com.br/h_acos_carbono.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * Dureza (Hv) e Tensão de Escoamento x %C de aços de diferentes tratamentos térmicos. O Diagrama mostra como a dureza varia com o conteúdo de C e compara a diferença de resistência obtida nos diferentes agregados de ferrita e cementita. Quanto maior a presença do carbono, maior será a resistência a dureza. Entretanto, outros aspectos normalmente indesejáveis serão reforçados como menor ductilidade e maior fragilidade. Aços com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, (dura e quebradiça). Fonte: Dieter – Mechanical Metallurgy Influência do % de Carbono nos Aços Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS CARBONO FORMA DE APRESENTAÇÃO DO PRODUTO Placas Barras laminadas a quente e a frio Arames Barras acabadas a frio Tubos para oleodutos Produtos tubulares especiais Bobinas Chapas Perfis Aplicações estruturais Fonte: http://www.infomet.com.br/h_acos_carbono.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * PROCESSO E PROCESSAMENTO DE FABRICAÇÃO Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS AÇOS CARBONO São utilizados nos estados fundido e trabalhado. As peças fundidas geralmente requerem recozimento ou normalização para homogeneização da microestrutura e alívio de tensões. O aço trabalhado (forjado, laminado, estirado, trefilado, etc., é utilizado na forma como recebido da aciaria - normalizado e, às vezes, recozido - necessitando de tratamentos térmicos complementares de acordo com o projeto do produto. Broca Roldana em aço fundido * AÇOS LIGA Os Aços Liga contêm quantidades específicas de elementos diferentes daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. Estas quantidades são determinadas com o objetivo de promover mudanças nas propriedades físicas e mecânicas do produto, permitindo o emprego do material em aplicações críticas e de responsabilidade. São considerados aços-liga todo o aço que possua quantidades mínimas de Al, B, Cr (até 3,99%), Co, Nb, Mo, Ni, Ti, W, V, Zr ou qualquer outro elemento de liga adicionado com o intuito de melhorar as propriedades mecânicas e a tenacidade, com ou sem tratamentos térmicos. DEFINIÇÃO Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * Temperabilidade – Curva Jominy de vários aços temperados * AÇOS LIGA CLASSIFICAÇÃO – quanto ao teor de elementos de liga A designação SAE-AISI considera como aço-liga aqueles que ultrapassam os limites de 1,65% Mn, 0,60% Si ou 0,10% de Al. Os aços-liga costumam ser designados de acordo com o(s) seu(s) elemento(s) predominante(s), como por exemplo, aço-níquel, aço-cromo e aço-cromo-vanádio. Os aços-liga seguem as mesmas classificações dos aço-carbono. Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=4 * AÇOS LIGA COMPOSIÇÃO QUÍMICA Aço baixa liga: Aço em que a soma dos teores dos elementos de liga não ultrapassa 5%. Aço média liga: Aço em que a soma dos teores dos elementos de liga está entre 5% e 12%. Aço alta liga: Aço em que a soma dos teores dos elementos de liga é no mínimo 12%. Os aços-liga são fabricados em quantidades relativamente pequenas, tomando-se cuidado com as tolerâncias de composição química e homogeneidade do produto final - Rígido controle de qualidade. Estas e outras particularidades tornam o aço-liga um material de custo mais elevado do que os aços comuns. Fonte: http://www.inda.org.br/por_dentro_liga.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS LIGA CLASSIFICAÇÃO SAE-AISI DOS AÇOS LIGA Fonte: InfoMet - Aços e Ferros Fundidos – Vicente Chiaverini – 7ª edição Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS LIGA FINALIDADE DOS ELEMENTOS DE LIGA Nos aços baixa liga: Aumentar a dureza e resistência mecânica; Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões; Diminuir o peso (aumentando a resistência mecânica). Nos aços média e alta liga: Conferir resistência à corrosão; Aumentar a resistência ao desgaste; Aumentar a capacidade de corte; Aumentar a resistência ao calor; Melhorar propriedades elétricas e magnéticas Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * Influência dos Elementos de Liga nos Aços Alumínio (Al): é usado em pequenas proporções, como desoxidante e agente de controle do crescimento dos grãos. Chumbo (Pb): não se liga ao aço mas, quando adicionado entre 0,15 e 0,5%, se distribui homogeneamente na forma de partículas microscópicas, o que resulta, na usinagem em cavacos finos e curtos. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327°C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250°C. Cromo (Cr): melhora a resistência à corrosão (aço com cerca de 12% Cr resiste à ação da água e de vários ácidos), aumenta a resistência à tração (em média, 80 MPa para cada 1% de cromo), melhora a facilidade de têmpera, aumenta a resistência à alta temperatura e ao desgaste. Ponto de fusão 1920°C. Cobalto (Co): aumenta a dureza e a resistência do aço sob altas temperaturas. Diminui a temperabilidade. Aumenta o magnetismo residual e a condutividade térmica. Ponto de fusão 1492°C. Titânio (Ti): refina o grão em pequenas quantidades. Ponto de fusão: 1812°C. Enxofre (S): normalmente um elemento indesejável, oriundo do processo de produção. Se combinado com o ferro na forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Entretanto, se combinado com o manganês no forma do respectivo sulfeto, favorece a usinagem com a formação de cavacos que se quebram facilmente. Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * Fósforo (P): é considerado um elemento prejudicial, resultante do processo de produção. Torna o aço frágil, efeito que se acentua com o aumento do teor de carbono. Assim, os teores máximos permitidos devem ser controlados com rigor. Molibdênio (Mo): melhora a resistência a altas temperaturas, a resistência ao desgaste e a dureza após a têmpera. Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à corrosão. Adições de 0,1 – 0,2% nos aços HSLA, diminui TG e melhora o endurecimento por precipitação destes aços. Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%. O cobre aumenta a resistência mecânica do aço em proporções entre 1 e 1,5% em peso. O Cu é solúvel em apreciáveis proporções no Fe , contudo, somente 0,3% de Cu pode se dissolver na ferrita a temperatura ambiente . Assim sendo, o excesso de cobre precipita na forma de partículas quase que inteiramente puras dificultando o escorregamento dos planos cristalinos do aço CCC. Tungstênio (W): aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas em teores de 12 a 20% onde permite trabalho em temperaturas de 600°C. Ítrio (Y): aumenta a resistência mecânica do aço. A adição de 0,5% de Y aumenta em 100MPa a tensão de escoamento e a tensão máxima de tração de um aço baixa liga. Influência dos Elementos de Liga nos Aços Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * Manganês (Mn): em média, para cada 1% de manganês, a resistência à tração aumenta 100 MPa. Para aços temperáveis, aumenta a dureza após a têmpera. Em altas quantidades estabiliza a austenita. Silício (Si): é um agente desoxidante na produção do aço. Aumenta a resistência à corrosão e a resistência à tração mas prejudica a soldagem. O silício aumenta significativamente a resistividade elétrica do aço e, por isso, aços com silício são amplamente usados em núcleos magnéticos (motores, transformadores, etc) devido às menores perdas com as correntes parasitas que se formam. Vanádio (V): aumenta a tenacidade através do refino dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis e é usado em aços para ferramentas para aumentar a capacidade de corte e dureza em altas temperaturas. Níquel (Ni): aumenta a tenacidade e melhora a temperabilidade.Ainda, em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 MPa contudo, o limite de elasticidade é o mais favorecido. Melhora significativamente a capacidade de têmpera, possibilitando redução da velocidade de resfriamento. O Ni altera a alotropia do Fe; e teores acima de 8% retém a austenita em temperaturas usuais, formando um aço austenítico em conjunto com o Cr [ex. aço inoxidável austenítico AISI 304 (18% Cr e 8% Ni)]. Com 36% de Ni, o aço tem o menor coeficiente de dilatação térmica sendo usado em instrumentos de medição. Fonte: http://myspace.eng.br/eng/mat/aco1.asp Influência dos Elementos de Liga nos Aços Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS LIGA DISTRIBUIÇÃO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS RESFRIADOS LENTAMENTE Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * AÇOS LIGA FORMA DE APRESENTAÇÃO DO PRODUTO Placas Barras laminadas a quente e a frio Arames Tubos para oleodutos Produtos tubulares para campos petrolíferos Produtos tubulares especiais APLICAÇÕES Os aços baixa liga são aços de construção enquanto que os de média e alta liga são usados para ferramentas, matrizes, resistência ao calor e corrosão. Podem ser encontrados em praticamente todos os segmentos industriais, desde a construção civil até a construção naval, passando pela indústria petrolífera, automobilística e aeronáutica. Fonte: http://www.inda.org.br/por_dentro_liga.php Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * EXEMPLOS DE PRODUTOS ACABADOS Chave de boca, chave de fenda, chave allen e outras ferramentas de aço-vanádio ou aço cromo-vanádio Virabrequim em aço AISI4340 – Ni, Cr, Mo Parafusos de aço ao Cr AISI5140 Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS AÇOS LIGA * AÇOS COMPOSIÇÃO DE AÇOS SELECIONADOS AISI-SAE Fonte: Askeland e Phulé – Ciência e Engenharia dos Materiais Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * * AÇOS CLASSIFICAÇÃO – de acordo com a aplicação Podem ser considerados os seguintes sub-grupos: Aços para arames e fios: ótima resistência à tração Aços para molas: elevado limite elástico Aços para usinagem fácil: elevada usinabilidade com teores de S e P acima do normal Aços para chapas: facilmente conformáveis e aços para estampagem profunda Aços resistentes ao desgaste: apresenta Mn (10 a 14%) e C (1 a 1,4%) muito altos Aços sinterizados Aços para fins magnéticos Aços para mancais e rolamentos: os chamados aços carbono-cromo; Aços para ferramentas e matrizes: alta dureza a temp. ambiente, alta dureza a temp. elevadas e capacidade a corte. Entre eles: aços temperáveis em água, resistentes ao choque, aços para trabalho à frio, trabalho a quente e aços rápidos. Aços microligados: Aços HSLA, Aços Dual Phase, Aços “Bake-Hardening” Aços para fins especiais: Aço Maraging e Aço Cortain Aços resistentes ao calor (refratários) Aços resistentes à corrosão: aços inoxidáveis Fonte: Vicente Chiaverini – Aços e Ferros Fundidos Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
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