MM - PARTE 15 - AÇOS RÁPIDOS E MICROLIGADOS

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PARTE 15 LIGAS METÁLICAS
Ligas Ferrosas Aços Rápidos
Aços Microligados
Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS
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Descobertos por Taylor e White em 1898, são os mais importantes aços ferramenta.
São desenvolvidos para aplicações de usinagem, corte em elevadas velocidades. Chegam a trabalhar em temperaturas entre 550 e 600°C. Ainda nestas temperaturas eles retém uma dureza que permite o proseguimento da usinagem. Os demais aços ferramenta perdem o fio acima de 250°C. 
A dureza a quente ou o endurecimento secundário, dá-se, principalmente pela formação de precipitados de carbonetos.
O custo dos aços rápidos é muito mais elevado e o tratamento térmico bastante complexo.
 Existem duas classificações (norma SAE):
 Aços rápidos ao tungstênio - W e W-Co (grupo T) e;
 Aços rápidos ao molibdênio – Mo e Mo-Co (grupo M).
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Aplicações: ferramentas, brocas, perfuratrizes, alargadores de furos, machos para abertura de roscas e fresas helicoidais. Alguns graus podem ser utilizados para certas aplicações a frio como laminadores de rosca, punções e matrizes para corte de discos. 
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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 - Composição química típica: 0,7 a 1,3%C, até 20%W, 4 a 8%Mo, 1 a 4%V, até 12%Co, até 4%Cr.
Devido ao alto teor de C e elementos formadores de carbonetos como ao Mo, W, V, Ti e Nb, forma-se um grande número de carbonetos com estes elementos que confere resistência ao desgaste superior, prolongando a vida útil da ferramenta.
A composição química é tal que torna possível o endurecimento de toda a secção por têmpera, mesmo por meios 
mais brandos de resfriamento como óleo ou
 banho de sais (até 10” de diâmetro).
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Efeito dos Elementos de Liga:
 C (0,7 – 1,3%): quanto ↑%C ↑ será o número de carbonetos e ↑ será a dureza e a resistência ao desgaste. Contudo, aumenta a austenita retida exigindo revenido a temperatura e tempo maior. Deve-se cuidar a descarbonetação no tratamento térmico (↑ temperaturas de aquecimento) que reduz a dureza do gume cortante.
 W (2 - 20%): elemento principal que confere dureza a quente; aumenta a resistência ao desgaste e a eficiência de corte devido a formação de carbonetos.
 Mo (4 - 8%): substitui o W, sendo que 1% Mo substitui até 2%W. O Mo baixa o ponto de fusão dos aços e a temperatura de têmpera (em relação aos aços ao W). Apresenta maior tendência à descarbonetação e a dureza à quente é inferior. Menor temperatura de revenido e mais barato que o W.
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Efeito dos Elementos de Liga:
 V (1 – 4%): forte formador de carbonetos. O VC é o mais duro dos carbonetos. Aços com alto teor de C e V constituem os AÇOS SUPER RÁPIDOS, de ↑↑ resistência ao desgaste e eficiência de corte. 
Cr (até 4%): elemento auxiliar que confere as melhores características de dureza e tenacidade. É responsável pela alta temperabilidade destes aços além de diminuir a tendência de oxidação.
 Co (até 12%): aumenta a dureza a quente e, portanto, aumenta a eficiência de corte na usinagem a altas temperaturas. São recomendados em operações de desbaste profundo, não sendo vantajoso em operações de acabamento.
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Tratamentos Térmicos:
 Pré-aquecimento a 600°C;
 Segundo pré-aquecimento a 850°C;
 Aquecimento final de têmpera ~ 1200°C (temperatura necessária para a dissolução dos carbonetos na austenita);
 Resfriamento – temperabilidade elevada (peças de 30cm de diâmetro podem temperar em toda a secção):
 Ao ar: satisfatório, mas há certa formação de carepa (óxido de ferro).
 Em óleo: resfria muito rápido podendo originar tensões internas – por isso resfria-se parcialmente em óleo e finaliza-se ao ar.
 Banho de sal: preferível – evita tensões internas – finaliza resfriando ao ar.
 Revenido: ~ 550°C (2 ou mais vezes). 
	O aço rápido temperado consta de martensita não revenida, austenita retida e carbonetos. 
	O 1° revenido alivia as tensões reduzindo a fragilidade praticamente sem perda de dureza. 
	O 2° revenido é aconselhado para revenir a martensita formada no primeiro. 
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Resumo:
Aço rápido temperado: martensita não revenida + austenita retida + carbonetos
Após o 1° revenido: martensita revenida + martensita não revenida + carbonetos
Após o 2° revenido: martensita revenida + carbonetos
	
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Dureza a Quente ou Dureza Secundária:
É um aumento da dureza que ocorre no revenimento dos aços, sendo devido a:
 Transformação da austenita residual em martensita no revenido;
 Precipitação de carbonetos a partir dos elementos de liga. 
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Diagrama Dureza x Temperatura Revenido
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS
Fonte: www.mspc.eng.br/ciemat/aco350.shtml
Curva TTT aproximada para um aço rápido com cerca de 0,7% C, 4,1% Cr, 18,6% W e 1,25% V.
Baseado neste diagrama pode-se realizar a têmpera. 
Exemplo de têmpera:
1 – Austenitizar o aço;
2- Aguardar o tempo de encharcamento;
3 – Resfriar em banho de sal a 550°C, deixar certo tempo para homogeneizar;
4 – Finalizar o resfriamento ao ar ou óleo .
* Após este processamento o revenimento deverá ser realizado.
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AÇOS FERRAMENTA
Aços Rápidos
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Aços Rápidos
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Fonte: http://www.cimm.com.br/cimm/construtordepaginas/htm/3_24_10262.htm
AÇOS FERRAMENTA
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Aços Rápidos
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AÇOS FERRAMENTA
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Aços de baixo ↓C (< 0,25% ). Também chamados de Aços C-Mn. (Mn até 2%).
Componentes estruturais e chapas para a indústria automobilística são algumas das principais aplicações deste aços.
Estas aplicações exigem uma combinação de boa capacidade de conformação plástica e soldabilidade com resistência e tenacidade adequadas com um percentual de carbono cada vez menor.
São adicionados elementos como Ti, Al, Nb, V, Si, Cu, Ni, Zr e Mo.
Aplicações críticas  grandes cargas de trabalho. Opções:
Tradicional  aumento da seção resistente
 Moderna  aços de maior resistência mecânica – redução de peso.
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços de Baixo Carbono – Novos Tipos
Fonte: Prof. Fortis UFRGS.
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Comparação de resistência mecânica e ductilidade de alguns aços para conformação empregados na indústria automobilística. As classificações empregram diferentes critérios: IF – intersticial free, Mild – baixo carbono, BH – bake Hardening, CMn – aços estruturais ao C e Mn, HSLA – high strenght low alloy, DP – dual phase, TRIP - transformation induced plasticity e MART – martensíticos.
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AÇOS MICROLIGADOS
Fonte: Colpaert – Metalogriafia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4ª ed. revista por Costa e Silva
Aços de Baixo Carbono – Novos Tipos
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São temperáveis em óleo. São os aços do grupo L. Fazem parte dos aços estruturais.
Contém C entre 0,07 e 0,12% e Mn entre 1,35 e 1,6%. Os principais elementos de adição são o Ti, Nb, Al, Si, V e N em concentrações combinadas de até 1% em peso. 
Aços com adição de B formam bainita (ULCB - ultra low carbon bainite).
Os mecanismos de endurecimento utilizados nestes aços incluem:
a) refino de grão; 
b) precipitação;
c) subestrutura de discordâncias; 
d) endurecimento por solução sólida;
e) envelhecimento com deformação.
A sua produção pode envolver: 
pequenas adições de elementos formadores de carbetos e nitretos (microligantes);
b) laminação controlada; 
c) resfriamento controlado;
d) controle de forma de inclusões.
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços Baixa Liga e Alta Resistência – HSLA
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Fonte: Costa e Silva – Aços e Ligas Especiais.*
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Partículas não dissolvidas como TiN, NbC e AlN restringem o tamanho de grão austenítico e inibem a recristalização durante a laminação controlada.
→ produzem um fino TG austenítico…
→ que induz um fino TG ferrítico… 
→ maior grau de encruamento na laminação controlada.
Fonte: Bramfitt e Benscoter - Metallgrapher´s Guide – Practices and Procedures for Iron and Steels e Prof. Fortis UFRGS.
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AÇOS MICROLIGADOS
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Microestrutura laminada a quente de uma chapa de um aço HSLA microligado. A microestrutura é de bandas de perlita (constituinte escuro) numa matriz de ferrita. Ataque: 4% picral seguido de Nital 2%. 
Aços Baixa Liga e Alta Resistência – HSLA
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Estes aços podem ser normalizados – ferrítico/perlítico, temperados e revenidos – ferrita acicular. 
Muitos destes aços podem ser endurecidos por envelhecimento. O refino de grão* resultante do processo e o endurecimento por precipitação produz tensões de escoamento de até 590MPa. 
Os aços HSLA são dúcteis, conformáveis, soldáveis e usináveis.
Em atmosferas normais, os aços HSLA são mais resistentes à corrosão do que os aços carbono comuns. Nestes casos, eles substituem os aços carbono em muitas aplicações onde a resistência estrutural é crítica.
Aplicações: usados na indústria automobilística, na indústria naval, em estruturas como pontes, torres, colunas de suporte em edifícios altos, tubulações (oleodutos e gasodutos) e vasos de pressão. 
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços Baixa Liga e Alta Resistência – HSLA
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* O refino do grão é o único mecanismo que além de promover o aumento de resistência mecânica promove aumento de tenacidade – 
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COMPARAÇÃO AÇO CARBONO E AÇO HSLA
Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS
Fonte: Callister W. D. Jr. – Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais
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A
Fonte: Callister W. D. Jr. – Fundamentos da Ciência e Engenharia dos Materiais
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COMPARAÇÃO AÇO CARBONO E AÇO HSLA
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Os aços dual phase dependem de um tratamento intercrítico. O resultado são microestruturas em que a matriz contínua de ferrita garante a ductilidade e a conformabilidade e é reforçada, mecanicamente, pelas “ilhas” de martensita e de alguma quantidade de MA (martensita-austenita).
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços Dual Phase
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(a) A figura mostra a condição de equilíbrio em uma liga Fe-C. No tratamento intercrítico forma-se austenita enriquecida em C.
(b) No resfriamento, a austenita, se transforma parcialmente em martensita. Dependendo da composição química, restando alguma austenita retida.
Fonte: Colpaert – Metalogriafia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4ª ed. revista por Costa e Silva
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços Dual Phase
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Imagem de MEV da seção transversal de um aço com 0,09%C, 1%Mn e 0,03%Nb. Bifásico, ferrita (F) e martensita (M). Tamanho de grão ferrítico: 5µm. Ataque: Nital.
Aços de muito baixo C → entre 0,05 e 0,17%C e 1 a 2%Mn + elementos de liga como Nb e Ti com limites de escoamento da ordem de 780MPa e 15% de alongamento.
A combinação de maior resistência, alongamento, e encruamento mais rápido, pode ser atribuída ao grão fino de ferrita e ilhas de martensita finamente dispersas. Também apresenta boa resistência a fadiga.
Fonte: Colpaert – Metalogriafia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4ª ed. revista por Costa e Silva
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Aplicações: considerado aço estrutural é utilizado na indústria automobilística, como elementos para perfis e longarinas, tubulações (oleodutos e gasodutos – ex. aço API X100 - 0,06%C, 1,96%Mn, 0,04%Nb, 0,01%Ti mais traços de Ni, Cu e Mo) e outros.
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços Dual Phase
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Reforço de pára-choque
Trilho de banco automotivo
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços TRIP – Transformation Induced Plasticity
Fonte: Colpaert – Metalogriafia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4ª ed. revista por Costa e Silva
http://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=167
Os Aços TRIP sofrem resfriamento brusco e deformação mecânica para induzir a transformação da austenita em martensita. Nesses aços, a quantidade e a composição química da austenita retida são ajustados para que ocorra transformação mantensítica durante a deformação. Num tratamento intercrítico posterior parte da austenita formada é transformada em bainita.
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AÇOS MICROLIGADOS
Aços TRIP – Transformation Induced Plasticity
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Fonte: Colpaert – Metalogriafia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 4ª ed. revista 
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Aços Bake-Hardening
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AÇOS MICROLIGADOS
 É o acréscimo de resistência mecânica que ocorre em chapas de aço carbono ou elementos de liga como Ti, Mn e Nb além de C e N, conformadas a frio. Este acréscimo na resistência mecânica ocorre durante a etapa de secagem (cura) da pintura em estufas.
O ganho de resistência mecânica acontece por um mecanismo conhecido como “strain aging”. 
 
Fonte: Eleani da Costa (DEMP PUC/RS) , Prof. Fortis (UFRGS) e artigo – Aging Behavior and Properties of Ultra-Low Carbon Bake Hardening Steels (Matlock). 
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Aços Bake-Hardening
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AÇOS MICROLIGADOS
- Um aço é considerado BH a medida que sofre um aumento da tensão de escoamento de, no mínimo 30MPa, pelo tratamento de “baking”. 
 Combinam resistência mecânica e conformabilidade sendo adequados para a indústria automobilística para uso em painéis expostos, como portas, tetos e capôs. 
 
Fonte: Eleani da Costa (DEMP PUC/RS) , Prof. Fortis (UFRGS) e artigo – Aging Behavior and Properties of Ultra-Low Carbon Bake Hardening Steels (Matlock). 
Bake-Hardening (MPa) em função do tempo de envelhecimento de uma chapa de aço de carbono com 0,28% de C pré-deformação envelhecida a 205°C. A região demarcada mostra um ciclo de pintura/secagem de 20 min. que se encaixa a curva de envelhecimento.
O processo de pintura e secagem incorpora complexas combinações que podem durar entre 20 e 90 minutos. 
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Materiais Metálicos-DEMAT-EE-UFRGS
AÇOS MICROLIGADOS
Fonte: www.salzgitter-flachstahl.de
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