aços e ligas (materiais)

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Aços ao carbono e aços ligados
1-O FERRO COMO ELEMENTO 
Símbolo: Fe
Massa atômica: 55,845 µ 
Ponto de fusão: 1.538 ºC
Número atômico: 26
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Figura 1- comportamento da estrutura cristalina do ferro em diferentes temperaturas. Fonte: Aços e ligas especiais, Silva, Mei, 2010.
2-A ADIÇÃO DO CARBONO
O carbono forma uma solução sólida com ferro da forma intersticial.
 As posições possíveis para o carbono se alojar nos interstícios da estrutura do ferro são as seguintes:
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Figura 2 - vãos tetraédricos, + vãos octaédricos. Fonte: Aços e ligas especiais, Silva, Mei, 2010
FERRO
CARBONO
 
 
TEMPERATURA
ºC
 
 
ESTRUTURA
 
 
RAIO Fe
(Å)
INTERSTISCIAL
SUBSTITUCIONAL
 
RAIO DO CARBONO EM (Å) A 15ºC (GRAFITE)
 
RAIO DO VÃO OCTAÉDRICO
(Å)
 
RAIO DO VÃO TETRAÉDRICO
(Å)
 
±15% DO RAIO DO Fe (Å)
 
500
CCC
1,25
0,19
0,36
1,06-1,44
0,71
1000
CFC
1,29
0,53
0,29
1,10-1,48
 
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2.1-ANÁLISE DO CARBONO NA ESTRUTURA DO FERRO
Tabela 1- Comparação do raio atômico do carbono com o tamanho dos interstício da estrutura do Fe. Fonte: Aços e ligas especiais, Silva, Mei, 2010.
Pela análise da tabela anterior temos que:
O carbono forma apenas solução sólida intersticial;
O maior vão da estrutura CCC ainda é muito menor que o raio atômico do Carbono:
Ou seja baixa solubilidade.
O maior vão da estrutura CFC quase suporta um átomo de Carbono:
Maior solubilidade.
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3-O DIAGRAMA FERRO-CARBONO
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Austenita (γ): Estrutura CFC, solubilidade máxima de 2,14% de C
Ferrita (α): Estrutura CCC, solubilidade máxima de 0,022% de C
Ferro δ: Estrutura CCC, solubilidade máxima de 0,09% de C 
Fase líquida
Cementita (Fe3C): Estrutura Ortorrômbica, solubilidade máxima de 6,67% de C
Figura 3-Diagrama Fe-C. Fonte: internet
4-FASES PRESENTES NA TEMPERATURA AMBIENTE E INFLUÊNCIA DO CARBONO
Ferrita; fase com baixa concentração de C, apresenta boa ductilidade mais baixa resistência mecânica.
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Figura 4-micrografia da fase perlita. Fonte: http://www.fvnunes.com
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Perlita; composto de duas fases (cementita e ferrita) em formato lamelar.
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Figura 5- Micrografia da perlita. Fonte: www.cimm.com.br
5-CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL
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Dentro da região que corresponde aos aços no diagrama Fe-C, podemos dividir as matrizes microestruturais em 3 grupos:
Hipoeutetóide: de 0,008% até 0,76% de C, microestrutura formada de ferrita pró-eutetóide e Perlita.
Figura 6- Micrografia do aço hipoeutetóide. Fonte: ftp.demec.ufpr.br.
Eutetóide: composição estritamente fixa em 0,76% de C, característico por ter sua microestrura composta por Perlita.
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Figura 7- Micrografia do aço eutetóide. Fonte: ftp.demec.ufpr.br.
Hipereutetóide: de 0,76% até 2,14% de C, microestrutura formada por cementita pró-eutetóide e Perlita.
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Figura 8- Micrografia do aço hipereutetóide. Fonte: ftp.demec.ufpr.br.
6-CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS 
Para aços sem elementos de liga, sua classificação depende apenas do teor de carbono na sua composição, sendo divididos em baixo, médio e alto carbono .
Baixo carbono: Aços com teor menor de 0,3% de C. 
Médio carbono: Aços com teor acima de 0,3% de C e abaixo de 0,8%.
Alto carbono: Aços com teor de carbono maior que 0,8% e menor que 2,14%.
Para concentrações maiores de 2,14% de C são considerados como ferro fundido.
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Sistema SAE de classificação, exemplo: *
 SAE 1045
SAE 10 45 
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Teor de carbono x100, ou seja, nesse caso 45% de C
Indica a *série do aço com outros elementos residuais
Norma utilizada na classificação 
Tabela 2- classificação dos aços pela norma SAE. Fonte: internet
7-ELEMENTOS DE LIGA
Os elementos de liga são de fundamental importância e seu entendimento é necessário, pois são eles que conferem as resistências necessárias para os aços que em um sistema simples de Fe-C não são possíveis.
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Tabela 3- Influência dos elementos de liga nos aços. Fonte: TESTMAT
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Tabela 4- Influência dos elementos de liga nos aços. Fonte: TESTMAT
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Tabela 5- Influência dos elementos de liga nos aços. Fonte: TESTMAT
8-AÇOS BAIXA LIGA ALTA RESISTÊNCIA 
Muitas vezes apenas os aços comuns não atendem certas necessidades, os aços baixa liga alta resistência, ou ARBL servem para atender as resistências mecânicas necessária mas com o mínimo necessário de elementos de liga.
Propriedades mecânicas: Apresenta maior resistência que os aços comuns, possuem boa ductilidade, usinagem e, além disso, também são mais resistentes à corrosão do que os aços comuns.
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Tabela 6- Comparação das resistências dos aços. Fonte: Adaptado deCiência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014 
Foi dado mais atenção para esses aços, principalmente no período em que o processo de soldagem se tornou frequente e viável. Muitas vezes o aço comum não tem boa soldabilidade, mais ainda com o aumento de carbono na matriz, para contornar o problema foi adicionado o Manganês, que mantinha as propriedades iniciais do aço e melhorava a soldabilidade.
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Aplicações: Estruturas onde a resistência é crítica como, por exemplo, pontes, torres, colunas de sustentação em prédios altos e vasos de pressão. Estruturas que são aparafusadas, rebitadas ou usadas em baixas temperaturas ambientes.
Elementos frequentemente usados: Manganês, Molibdênio, Silício e Vanádio.
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9-AÇOS MÉDIO CARBONO TEMPERÁVEIS
A têmpera: tratamento que consiste no aumento de dureza dos aços pela formação de uma fase metaestável, a martensita.
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É característico dessa fase uma dureza elevada e os grãos em formas de ripas.
Figura 9- Micrografia da martensita. Fonte: http://www.joinville.udesc.br.
O processo de têmpera consiste em elevar a temperatura do aço até o campo austenítico e após a completa austenitização o resfriamento rápido, geralmente feito em água ou óleo.
Os aços mais indicados para a têmpera são os de médio carbono. Para pequenas quantidades de carbono a formação de martensita não é possível, o máximo que ocorre é a formação de alotriomorfos da ferrita, e para aços de alto carbono a formação da martensita deixa o material extremamente frágil, podendo ocorre trincas até durante a têmpera.
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É comum e necessário na têmpera o revenimento, processo feito após a têmpera que visa eliminar as tensões internas do material temperado, afim de evitar trincas durante a utilização do material.
Aplicações: Rodas de trens, trilhos de ferrovias, engrenagens e virabrequins. Peças de máquinas e componentes estruturais que exigem alta resistência mecânica, resistência à abrasão e certa tenacidade.
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10-AÇOS FERRAMENTAS 
Contêm Cromo, Vanádio, Tungstênio e Molibdênio.
Os elementos são propícios a formação de carbetos, o que os tornam altamente resistentes a abrasão e aumento considerável da dureza.
São usados como ferramentas de corte e em outros processos de usinagem.
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Tabela 7- Comparação das classes dos aços. Fonte: Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE 
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Tabela 8- Comparação das resistências dos aços. Fonte: Adaptado de Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014
11-AÇOS INOXIDÁVEIS 
Propriedades mecânicas: Excelente resistência à corrosão, indepentemente da subclasse(austenítico, ferrítico ou martensítico).
 São aços de alta liga que geralmente corresponde com teores elevados de Cromo
Ferríticos: Componentes de exaustão automotivos, válvulas para altas temperaturas, câmaras de combustão.
Austeníticos: Construções com solda, equipamento para processamentos químicos e alimentícios e vasos criogênicos.
Martensíticos: Canos de armas, peças de motores de jatos, mancais e instrumentos cirúrgicos.
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Tabela 9- Comparação das classes dos aços. Fonte: Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014
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Tabela 10- Comparação das resistências dos aços. Fonte: Adaptado de Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014
12-CUSTOS 
Um dos principais fatores a ser lavado em consideração na manufatura de peças ou no uso estrutural, o custo e o custo relativo da produção dos aços e suas ligas são mostrados a seguir:
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Tabela 11- Comparação custos dos aços. Fonte: Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014
13- Questões
Qual a explicação da fase austenita ter maior solubilidade do Carbono? E qual o motivo do carbono não forma solução substitucional com o ferro?
Pela relação dos vãos formados pela estrutura CFC, na qual comporta mais átomos de Carbono.
Pois o raio atômico do carbono é muito menor se comparado com o ferro.
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13- Questões
Por que são adicionados elementos de liga no aço?
Pois em certas aplicações somente o aço carbono não confere todas as propriedades necessárias, os elementos de liga não só melhoram as propriedades mecânicas como tem forte influência na fabricação dos aços. 
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13- Questões
Quando precisamos escolher um aço que atenda a certas propriedades mecânicas, qual conhecimento devemos ter acerca do material?
O tratamento térmico que este aço recebeu, a fim de saber qual é a sua microestrutura.
O teor de carbono que este aço contém, assim como os elementos de liga.
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14-BIBLIOGRAFIA
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LIVROS;
Aços e ligas especiais, Silva, Mei, 2010.
Ciência e engenharia dos materiasi; Callsiter, Rethwisch, 4ª edição, 2014
SITES;
https://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=199
http://www.testmat.com.br/wp-content/uploads/2018/01/efeito-elementos-liga-tratamento-termico.pdf