Ligas Metálicas Ferrosas

Prévia do material em texto

Química
Aula 5: Ligas metálicas ferrosas
Apresentação
Nesta aula, veri�caremos que os materiais metálicos são os mais utilizados em projetos, principalmente, se estes tiverem
uma �nalidade mecânica como a construção de uma peça para um motor, por exemplo.
Entre os materiais metálicos, certamente, os ferrosos, são amplamente utilizados em diversos tipos de soluções
presentes em nosso cotidiano. O ferro está sempre ligado ao carbono e a outros elementos. Então, na linguagem
cotidiana, quando se fala que determinado produto é composto por ferro, na verdade, trata-se de uma liga metálica
composta por, no mínimo, ferro e carbono.
A utilização de compostos ferrosos está atrelada à uma dualidade ambiental: utilização consciente versus má utilização
dos recursos naturais. Em relação à utilização consciente, pode-se dizer que os fabricantes de aços são responsáveis por
um grande reaproveitamento de peças inutilizadas por meio de sua reciclagem. Entretanto, a retirada do minério de ferro
da natureza, por vezes, causa grandes impactos negativos ao ambiente.
Objetivos
Descrever a in�uência do teor de carbono e de outros elementos nas ligas;
Identi�car as fases e os principais tratamentos térmicos dos aços.
As ligas ferrosas
O ferro é o metal mais utilizado pelo homem. A abundância do mineral, o custo relativamente baixo de produção e as múltiplas
propriedades físico-químicas que podem ser obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que dão ao metal
uma extensa variedade de aplicações.
 Figura 1 – Classificação geral dos materiais metálicos (OLIVEIRA, 2017).
Essas ligas são caracterizadas pela presença, em maior
quantidade, do elemento químico ferro. Esse elemento
possui a capacidade de, com a aplicação de temperatura e
pressão, mudar sua estrutura cristalina, como pode ser visto
na Figura 2.
Essa característica, aliadas aos tratamentos térmicos (que
aboremos posteriormente), permite que as ligas ferrosas
possam ter suas propriedades mecânicas alteradas de
diversas formas, fato que torna esse material de engenharia
muito versátil e possível de ser aplicado em, praticamente,
qualquer projeto.
 Figura 2 – Alotropia do ferro (OLIVEIRA, 2017)
O ferro no uso prático está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, na linguagem do dia a dia, a palavra ferro
pode ser entendida como uma liga dos elementos químicos ferro, carbono e outros.
De acordo com as de�nições de ferro, aço, aços-liga e ferro fundidos, tem-se:
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
1
Ferro puro
Material que contém, no máximo, 0,008% de carbono em
sua composição.
2
Aço carbono
É a liga que contém de 0,008 a 2,11% de carbono em peso.
3
Aços-liga
Contém, além de carbono, outros elementos em sua liga.
4
Ferro fundido
Ligas com teores de carbono variando entre 2,11% e 6,67%
em peso.
Os aços podem ser classi�cados em relação à sua estrutura:
Clique nos botões para ver as informações.
Aços com ou sem elementos de liga em teores relativamente baixos (até 5%); suas propriedades mecânicas podem ser
melhoradas, por têmpera e revenido; a usinabilidade pode também ser melhorada pelo teor de carbono;
Aços perlíticos 
Aços com teores de elementos de liga que ultrapassam 5%; apresentam dureza muito elevada e baixa usinabilidade;
Aços martensíticos 
Esses aços são caracterizados por reterem a estrutura austenítica até a temperatura ambiente, devido aos elevados
teores de certos elementos de liga (Ni, Mn ou Co); os inoxidáveis, não magnéticos e resistentes ao calor, por exemplo,
pertencem a este grupo;
Aços austeníticos 
Aços também caracterizados por elevados teores de certos elementos de liga (Cr, W ou Si), mas com baixo teor de
carbono. Não reagem à têmpera por conta do baixo teor de carbono; no estado recozido apresentam eventualmente
pequenas quantidades de cementita;
Aços ferríticos 
Apresentam quantidades consideráveis de carbono e de elementos formadores de carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb e Zr). Sua
estrutura consiste em uma matriz de martensita ou austenita, dependendo da composição química. Esses aços são
frequentemente utilizados em ferramentas de corte e matrizes.
Aços ferríticos 
Efeito dos elementos de liga
Quando elementos químicos são introduzidos à liga dos aços, espera-se a melhora de alguma propriedade do material (como,
por exemplo, aumento da dureza, resistência à corrosão, aumento da usinabilidade etc.).
Geralmente, o aumento da resistência mecânica ocorre pela adição de
vários elementos de liga em teores baixos, em que a soma dos teores não
ultrapassa 5% em peso da liga. A alteração de outras propriedades demanda
maior percentual de elementos de liga, resultando na formação de
carbonetos mais complexos.
Os elementos químicos, quando inseridos às ligas, trazem benefícios. Entretanto, alguns, como o enxofre, o fósforo, o oxigênio
e o hidrogênio, prejudicam as ligas causando, de uma forma geral, fragilização.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
 Resumo dos efeitos de alguns elementos de liga 
 Clique no botão acima.
Resumo dos efeitos de alguns elementos de liga
A seguir, temos um breve resumo dos efeitos de alguns elementos de liga:
Chumbo: Apesar de não se ligar ao aço, auxilia na usinagem;
Cobalto: Aumenta a dureza do aço sob altas temperaturas;
Cobre: Melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se utilizado em teores de 0,2 a 0,5%;
Cromo: Melhora a resistência à corrosão, aumenta a resistência à tração e aumenta a resistência ao desgaste;
Molibdênio: Para aços inoxidáveis, melhora a resistência à tração. Para os demais, aumenta a resistência à dureza
após a têmpera;
Níquel: Para cada 1% de níquel adicionado à liga, aumenta-se em 40 Mpa a resistência à tração;
Tungstênio: Aumenta a resistência à tração em altas temperaturas.
Vanádio: Re�na a estrutura do aço, impedindo o crescimento dos grãos. Forma carbonetos duros e estáveis e é
utilizado em aços para ferramentas.
Estanho: Causa fragilização a frio, semelhante ao fósforo. Sua presença no aço se deve à presença de chapas
soldadas ou estanhadas na sucata.
Oxigênio: Endurece o aço, tornando-o frágil e menos tenaz. Durante o processo produtivo, adicionam-se elementos
desoxidantes fazendo o oxigênio se tornar inofensivo;
Hidrogênio: Causa fragilização e pode ser eliminado durante o processo produtivo, por meio de desgasei�cação;
Enxofre: Indesejável na maioria dos casos. É oriundo dos processos de fabricação. Se combinado com o ferro na
forma de sulfeto, deixa o aço quebradiço. Se combinado com o manganês, facilita a usinagem.
In�uência do teor de carbono
Outra classi�cação dos aços está atrelada ao percentual de carbono presente nas ligas aços-carbono. Essa classi�cação é
dividida em:
Aços baixo carbono
Teor menor que 0,25% pC:
• Não respondem a tratamentos térmicos que objetivam a formação de martensita;
• O aumento de resistência é alcançado a partir de trabalho a frio;
• Microestruturas presentes: ferrita e perlita;
• Aplicações: Estruturas, chapas etc.
Aços médio carbono
Teor entre 0,25% e 0,60% pC:
• Podem ser tratadas por austenitização, têmpera e revenido para a melhora de suas propriedades mecânicas;
• Geralmente utilizados com a microestrutura da martensita revenida;
• Aplicações: Trilhos, peças de máquinas etc.
Aços alto carbono
Teor entre 0,60% e 1,40% pC:
• Os mais duros e resistentes e menos dúcteis entre todos os aços;
• Geralmente utilizados na condição endurecida e revenida;
• Aplicações: Ferramentas, matrizes etc.
Atenção! Aqui existe uma videoaula, acesso pelo conteúdo online
Diagrama de fases Fe-C
De todos os sistemas de ligas binárias, talvez o mais importante seja o formado pelo ferro e pelo carbono.
Tanto os aços quanto os ferros fundidos, que são os principais materiais estruturais em toda cultura tecnologicamente
avançada, são essencialmente ligas ferro-carbono.
Uma parte do diagrama de fases ferro-carbono está apresentada na Figura 3. O ferro puro, ao ser aquecido, apresenta duas
mudanças deestrutura cristalina antes de se fundir;
Ferrita
À temperatura ambiente, a forma estável,
chamada de ferrita, ou ferro α, apresenta uma
estrutura cristalina CCC. 
Austenita
A ferrita, a 912ºC, apresenta uma transformação
alotrópica para austenita CFC, ou ferro γ.
Continue lendo...
 Figura 3 – Diagrama Fe-C (CALLISTER Jr., 2016)
http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0224/aula5.html
Fases e tratamentos térmicos
A aplicação mais importante de transformação alotrópica do ferro se encontra nas ligas ferro-carbono. O carbono forma uma
solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro.
A consequência prática desse tipo de solução é que teremos uma liga de baixo custo e com possibilidades de uma grande
variação nas propriedades, dependendo do teor de carbono e do tratamento térmico utilizado.
Principais fases do sistema Fe-C
 Figura 4 – Micrografia da austenita
(CALLISTER Jr., 2016)
A fase chamada de austenita (ferro Ƴ) é uma solução em estado sólido de cementita no ferro, ou seja, cristais mistos que
contêm átomos de ferro (CFC).
 Figura 5 – Micrografia da ferrita (CALLISTER
Jr., 2016).
Na ferrita, tem-se o ferro praticamente puro. Essa fase possui estrutura CCC abaixo de 912 °C.
 Figura 6 – Micrografia da perlita (CALLISTER
Jr., 2016).
Já a perlita, microestrutura para o aço eutetoide, é composta por camadas ou lamelas alternadas de ferrita e cementita.
 Figura 7 – Micrografia da bainita (CALLISTER
Jr., 2016).
A microgra�a da bainita é demonstrada na Figura 7. A bainita é composta por agulhas de cementita em uma matriz de ferrita.
 Figura 8 – Micrografia da martensita e sua
estrutura cristalina, tetragonal de corpo centrado
(CALLISTER Jr., 2016).
Por �m, a martensita é resultado da transformação da austenita sem o processo de difusão. Essa fase compete com a
formação de perlita e bainita. A estrutura não pertence ao sistema cubico e, sim, ao tetragonal, sendo, portanto, tetragonal de
corpo centrado (TCC).
 Tratamentos térmicos dos aços 
 Clique no botão acima.
Tratamentos térmicos dos aços
Os tratamentos térmicos são fundamentais aos aços. Só assim as ligas metálicas adquirem as propriedades
mecânicas ideais às diversas aplicações dos aços.
O tratamento térmico chamado de recozimento consiste em elevar a temperatura da liga 50°C acima da temperatura
crítica superior e, depois, deixá-la esfriar dentro do forno com uma taxa de resfriamento de, aproximadamente, 25°C
por hora, até que o limite inferior seja ultrapassado em 50°C. Esse processo traz maior ductilidade ao aço.
Já a normalização tem por objetivo o controle do tamanho do grão, resultando em um material com grãos �nos ou
granulometria pequena. Para esse tratamento, eleva-se a temperatura da liga 60°C acima do ponto crítico superior. Em
seguida, a liga é retirada do forno e resfriada ao ar.
Um dos tratamentos térmicos mais conhecidos é conhecido como têmpera. Para esse processo, eleva-se a
temperatura da liga 50°C acima da temperatura de austenitização e, em seguida, a liga é resfriada a taxas extremas.
Ao �nal desse tratamento, a microestrutura obtida é chamada de martensita, muito dura e frágil.
Para dar um pouco de tenacidade à martensita, é comum realizar o processo conhecido como revenimento. É feito um
aquecimento lento até 230°C, em que uma parte da perlita presente na martensita, reorganiza-se e parte da dureza é
perdida, obtendo-se, assim, a martensita revenida.
Um tratamento semelhante ao da têmpera é chamado de martêmpera. A diferença entre eles é que, na martêmpera, a
peça, após a austenitização, é colocada em um banho de sais fundentes, com o objetivo de eliminar o gradiente de
temperaturas que existe entre a superfície e o centro da peça.
Por �m, para a obtenção da bainita é feito o tratamento térmico conhecido como austêmpera. A liga, após a
austenitização, é mantida em um banho de sais fundentes com temperatura constante entre 250 e 450°C.
Reciclagem dos materiais ferrosos
No Brasil, como no resto do mundo, o mercado de sucata de aço é bastante sólido porque a indústria siderúrgica precisa da
sucata para fazer um novo aço.
Saiba mais
Segundo o site O Pensamento Verde, 49% de todo o material ferroso descartado do país, passa pelos processos de reciclagem. O
principal mercado associado à reciclagem de aço é formado pelas aciarias, que fundem a sucata, transformando-a em produtos
ou novas chapas de aço.
A limitação na reciclagem de ferro e aço
está relacionada com a oferta de sucata de
aço. Essa oferta está relacionada,
principalmente, com os seguintes fatores:
• Volumes anteriores da produção de aço;
• Vida útil de estruturas e bens;
• Coleta da sucata.
A reciclagem de resíduos e sucatas de ferro
e aço possui como principais etapas:
• Separação das sucatas ferrosas dos
demais materiais;
• Prensagem do material e posterior
fundição (aproximadamente a 1550°C);
• Transformação do ferro líquido em
lingotes.
Essa sucata leva em torno de um dia par ser reprocessada. Outro ponto importante é que esse material pode ser reciclado
in�nitas vezes, fato que pode auxiliar na preservação do meio ambiente, já tão castigado durante as etapas de extração do
minério de ferro da natureza.
 Atividade
1. Selecione a alternativa correta sobre a de�nição de aço e ferro fundido:
a) Os aços são ligas compostas somente de ferro e carbono, com valores de carbono iguais a 1% p C. Já para os ferros fundidos, o teor de
carbono varia entre 5,11 à 6,70% p C.
b) Os aços são ligas compostas de, ao menos, ferro e carbono, com valores de carbono que variam de 0,008 à 2,11% p C. Já para os ferros
fundidos, o teor de carbono varia entre 2,11 à 6,70% p C.
c) Os aços são compostos de ferro, com valores que variam de 2 à 2,11% p C. Já para os ferros fundidos, o teor de carbono varia entre
5,11 à 6,70% p C.
d) Os aços são ligas compostas de, ao menos, ferro e alumínio, com valores de alumínio que variam de 0,008 à 2,11% p C. Já para os
ferros fundidos, o teor de alumínio varia entre 2,11 à 6,70% p C.
2. Assinale a alternativa que completa corretamente os espaços em branco:
Aços baixo carbono possuem teor menor que _______% pC), aços médio carbono possuem teor entre 0,25% e ______% pC) e
aços alto carbono (teor entre 0,60% e ______% pC).
a) 0,25 | 0,60 | 1,40
b) 0,30 | 0,80 | 2,00
c) 0,50 | 0,50 | 5,00
d) 0,80 | 0,25 | 1,00
3. Cite as principais fases do sistema ferro-carbono.
4. Fale sobre o tratamento térmico de têmpera.
5) Leia as alternativas que falam sobre a austêmpera:
I - É um tratamento térmico que tem por objetivo a obtenção de uma microestrutura ferrita.
II - Eleva-se a temperatura 20°C acima da temperatura de austenitização. 
III - Coloca-se a peça em um banho de sais fundentes, em uma faixa de temperatura que varia entre 250 à 450°C
IV – O objrtivo é fazer com que o gradiente de temperatura que existe entre a superfície e o centro da peça seja eliminado.
Assinale a alternativa que mostra a sequência correta de a�rmativas verdadeiras ou falsas:
a) V – V – V – F
b) V – F – V – F
c) V – F – F – F
d) F – F – V – V
Notas
Essa austenita persiste até 1394ºC, quando a austenita CFC se reverte, novamente, a uma fase CCC, chamada de ferrita δ, e,
�nalmente, se funde a 1538ºC.
Referências
CALLISTER Jr., W.D. Ciência e Engenharia dos Materiais. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7 ed. São Paulo: ABM, 2012.
OLIVEIRA, F.S. Materiais de construção mecânica. Rio de Janeiro: SESES, 2017.
PENSAMENTO VERDE. Descubra quais são os materiais mais reciclados do Brasil. Disponível em:
https://www.pensamentoverde.com.br/reciclagem/descubra-quais-sao-os-materiais-mais-reciclados-no-brasil/. Acesso em 16
abr. 2019.
SHACKELFORD, J. Ciência dos Materiais. São Paulo: Pearson, 2008.
Próxima aula
Importância e utilização das ligas de cobre e ligas de alumínio em aplicações de engenharia.
Explore mais
Assista ao vídeo sobre a fabricação dos aços.
javascript:void(0);
javascript:void(0);