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Aços ao Carbono Integrantes Amanda Mota dos Santos Mariana Magalhães Barros Myrella Martins Ramos Sumário 1. Introdução 2. Definição 3. Classificação 4. Impurezas Normais no Aços Carbono e Inclusões não Metálicas 5. Propriedades Mecânicas 6. Aplicação 7. Curiosidades Introdução Fabricação do aço Aço no dia a dia Introdução • Utilidades domésticas • Transporte • Embalagens e Recipientes • Energia • Agricultura • Escultura • Construção civil Sibelius – Finlândia Definição O ferro gusa, primeira etapa da fabricação do aço, é o mesmo para todos os produtos. Na fase seguinte, quando os elementos de liga são adicionados ou suprimidos no ferro gusa, é que são determinadas as grandes famílias de aços, dos mais rígidos aos mais estampáveis. Aços Carbono Ligas de ferro-carbono que contém de 0,008% a 2% de carbono. Possui na sua composição outros elementos como Manganês, Silício, Enxofre, Cobre e Fósforo. Outros elementos existem apenas em quantidades residuais. A quantidade de carbono presente no aço define a sua classificação. Baixo Carbono (0,3%) Médio Carbono (0,3 à 0,6%) Alto Carbono (0,6 à 1%) Aços Carbono Baixo Carbono Baixa resistência e dureza, alta tenacidade e ductilidade; É usinável e soldável, além de apresentar baixo custo de produção; Geralmente não é tratado termicamente; Aplicações: chapas automobilísticas, perfis estruturais, placas para produção de tubos, construção civil, pontes. Médio Carbono Maior resistência e dureza, menor tenacidade e ductilidade; Possuem quantidade de carbono suficiente para receber tratamento térmico de têmpera e revenimento; Aplicações: rodas e equipamentos ferroviários, engrenagens, virabrequins, e outras peças de máquinas, que necessitem elevadas resistências mecânica e ao desgaste e tenacidade. Alto Carbono É o de maior resistência e dureza, porém apresentam menor ductilidade entre os aços carbono; São utilizados temperados ou revenidos, possuindo propriedades de manutenção de um bom fio de corte. Aplicações: talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas. 0,2 % C 0,3 % C 0,4 % C 0,5 % C 0,6 % C 0,7 % C 0,8 % C 1,0 % C 1,2 % C 1,4 % C 1,6 % C 1,8 % C 2,0 % C Classificação Os aços são classificados em Grau, Tipo e Classe, por meio de letra, número, símbolo ou nome. O Grau identifica a faixa de composição química do produto; O Tipo se refere ao processo de desoxidação utilizado; A Classe descreve atributos como nível de resistência e acabamento superficial. O sistema de classificação mais adotado é o SAE-AISI (“Society of Automotive Engineers” e “American Iron and Steel Institute”) . Nele o aço carbono utiliza o grupo 1xxx, e pode ser subdivido de forma que: SAE/AISI N° Chemical Composition Limits, %C Chemical Composition Limits, %Mn Chemical Composition Limits, %P, Max Chemical Composition Limits, %S, Max 1010 0,08-0,13 0,30-0,60 0,030 0,050 1040 0,37-0,44 0,60-0,90 0,030 0,050 1060 0,55-0,65 0,60-0,90 0,030 0,050 1117 0,14-0,20 1,00-1,30 0,030 0,08-0,13 1137 0,32-0,39 1,35-1,65 0,030 0,08-0,13 1146 0,42-0,49 0,70-1,00 0,030 0,08-0,13 1524 0,18-0,25 1,30-1,65 0,03 0,035 1541 0,36-0,45 1,30-1,65 0,030 0,035 1552 0,46-0,55 1,20-1,55 0,030 0,035 Impurezas normais e inclusões não-metálicas Quando se fabrica o aço, além do carbono como principal elemento, uma série de impurezas de natureza metálica ou não, as quais se originam de reações entre matérias primas empregadas ou de outros tipos de reações. Dentre as impurezas, o fósforo foi considerado, por muito tempo, um elemento exclusivamente nocivo, devido à fragilidade a frio que confere aos aços, sobretudo nos aços duros, de alto carbono e quando seu teor ultrapassa certos limites. Ele se caracteriza por ser um tanto incompatível com o carbono, ou seja, ele tende a expulsar o carbono da austenita, de modo que, quando no resfriamento se ultrapassa a linha Ar, as áreas originalmente ricas em fósforo ficam praticamente constituídas somente de ferrita, com ausência quase que completa de perlita. Figura retirada do Vicente Chiaverini – Aços e ferros fundidos Aço baixo carbono forjado mostrando textura devido à presença de fósforo. (Aumentada 100 vezes) Um alto teor de fósforo pode acarretar a presença de um eutético fosforoso. Figura retirada do Vicente Chiaverini – Aços e ferros fundidos Aço médio carbono com alto teor de fósforo(0,4%) , surgimento do eutético fosforoso (Fe3P). (Aumentada 700 vezes) Quanto os outros elementos, enxofre, manganês, silício e alumínio, ele são os principais responsáveis pela formação de inclusões não-metálicas. Estas, de acordo com sua origem, podem ser classificadas em dois grupos principais: Inclusões não-metálicas Endógenas Exógenass “Endógenas”- são devidas a reações que se desenrolam durante a elaboração do aço ou durante sua solidificação e geradas pela precipitação do enxofre e do oxigênio sob a forma de sulfetos, óxidos, silicatos e aluminatos; - “Exógenas”- derivadas de fontes externas, como de escórias, corrosão ou erosão dos refratários das paredes do forno e canais de vazamento, metais e ligas de dissolução difícil no banho metálico, etc. Essas inclusões exógenas são geralmente constituídas de silicatos, aluminatos e óxidos vários e se caracterizam por dimensões maiores, forma irregular e constituição complexa. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono O que é Propriedade Mecânica de um material? É uma peculiaridade do material em termos do tipo e da intensidade da resposta a um estímulo (neste caso, mecânico) específico que lhe é imposto. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Fatores que influenciam as propriedades São afetadas, em princípio, por dois fatores: Composição química: está relacionada às características conferidas pelos elementos químicos que estão presentes. Microestrutura: está relacionada ao arranjo de seu componentes internos. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono • Por quê a composição química e microestrutura afetam as Propriedades Mecânicas? Por quê devemos estudá- las? Efeitos da Composição Química • Elemento predominante é o carbono. Com o aumento do teor deste, temos: ▫ Melhoria nas propriedades relativas à resistência mecânica (limite de escoamento, limite de resistência à tração, dureza). ▫ Piora nas propriedades relativas à ductilidade e à tenacidade (alongamento, estricção, resistência ao choque) • Os elementos residuais (S, Mn, P, Si, Al) também afetam nas propriedades do material. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeitos do teor de carbono nas propriedades relativas à resistência mecânica. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeitos do teor de carbono nas propriedades relativas à ductilidade e tenacidade. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeito da Microestrutura A microestrutura de um aço é influenciada por fatores que afetarão também as propriedades do material. São eles: 1. Composição química; 2. Estado ou condição do aço, com relação à fabricação; 3. Tamanho do grão austenítico; 4. Velocidade de Resfriamento. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono 1. De acordo com a composição química, teremos os possíveis constituintes presentes na microestrutura: ▫ Ferrita e Perlita (aço Hipoeutetóide) ▫ Perlita (aço Eutetóide) ▫ Cementita e Perlita (aço Hipereutetóide) Representação das microestruturas para uma liga Fe-C de composição eutetóide. Fotomicrografia de um aço eutetóide mostrando a microestrutura perlita. Ampliação de 500x. Propriedades Mecânicas dosAços-Carbono Representação das microestruturas para uma liga Fe-C de composição hipoeutetóide. Fotomicrografia de um aço com 0,38%p C que possui microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetoide. Ampliação de 635x. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Representação das microestruturas para uma liga Fe-C de composição hipereutetóide. Fotomicrografia de um aço com 1,4%p C que possui uma microestrutura composta por uma rede de cementita proeutetóide que envolve a perlita. Ampliação de 1000x. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Propriedades mecânicas dos microconstituintes dos aços. Fonte: Aços e Ferros Fundidos – Vicente Chiaverini - 7ª edição Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono 2. Estado ou condição do aço, com relação à sua fabricação também tem influência sobre a microestrutura resultante, e assim altera propriedades e comportamentos do material. ▫ Estado fundido ▫ Estado trabalhado a quente ▫ Estado trabalhado a frio Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Estado fundido: Granulação grosseira, do tipo dendrítico (formação da austenita a altas temperaturas e lento esfriamento no interior dos moldes). Aspecto comum de aço moldado, no estado bruto de fusão. Parte da estrutura é acicular e parte é rendilhada. Fonte: Aços e Ferros Fundidos – Vicente Chiaverini - 7ª edição Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Estado trabalhado a quente (laminados, forjados, etc.): Homogeneização apreciável da estrutura Destruição da estrutura dendrítica. Recristalização (influência sobre o tamanho de grão). Melhores propriedades mecânicas que o anterior. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Estado trabalhado a frio: material encruado. Aumento de resistência mecânica Aumento da dureza Diminuição da ductilidade (decréscimo de alongamento e estricção). Aspecto micrográfico de aço duro encruado por martelamento a frio. Ataque: Nital. Aumento: 200x Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeito do encruamento obtido por laminação a frio sobre as propriedades de tração de aço de baixo carbono. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeito do encruamento sobre a ductilidade do aço. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeito do encruamento sobre as curvas tensão- deformação em aço de baixo carbono. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono 3. Tamanho do grão austenítico Exerce influência na formação da perlita: A perlita começa a se formar nos contornos de grão da austenita; Num grão maior a total transformação levará mais tempo que num menor; A martensita é mais facilmente formada a partir de estrutura austenítica de grãos maiores. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Efeito do tamanho de grão austenítico sobre certas características dos aços. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono 4. Velocidade de resfriamento As propriedades mecânicas sofrem variação de acordo com a quantidade relativa dos constituintes resultantes da transformação da austenita (ferrita, cementita e perlita). A velocidade de resfriamento interfere nessas quantidades relativas formadas. Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono Possíveis transformações envolvendo a decomposição da austenita. Setas contínuas: transformações difusionais; setas tracejadas: transformações adifusionais. Fonte: Ciência e Engenharia dos Materiais, uma introdução – W. D. Callister - 5ª edição Propriedades Mecânicas dos Aços-Carbono A dureza como uma função da concentração de carbono para aços-carbono marten- sítico, martensítico revenido e perlítico. Fonte: Ciência e Engenharia dos Materiais, uma introdução – W. D. Callister - 5ª edição Importância e Limitações dos Aços-carbono Aços-carbono: o mais importante grupo de materiais utilizados na engenharia e na indústria. Por quê??? Propriedades mecânicas suficientes para atender à maioria das aplicações práticas, sem necessidade de adição de elementos de liga e às vezes até tratamentos térmicos. Como já foi dito, os estados normais de utilização são o Fundido e Trabalhado (a quente ou a frio). Peças fundidas: necessidade de tratamento térmico de recozimento ou normalização. Alívio de tensões originadas na solidificação Homogeneização da microestrutura. Aços trabalhados por forjamento, laminação, estiramento, trefilação, etc.: Utilizados diretamente na forma de perfis Necessidade de tratamento térmico apenas para eliminação do efeito de encruamento. Importância e Limitações dos Aços-carbono O teor de carbono será sempre o principal fator de influência na dureza e na resistência mecânica do aço. Mantendo-se constante o teor de carbono do aço A resistência aumenta à medida que aumenta a finura da dispersão de carbonetos. A ductilidade e propriedades semelhantes diminuem. Importância e Limitações dos Aços-carbono Possibilidade de resfriamento a velocidades que sejam suficientes para produzir qualquer uma das possíveis distribuições de cementita na ferrita, inclusive a formação da martensita. Ou seja, pequenas secções de aço-carbono podem ser submetidas a tratamentos térmicos tais que possam produzir excelentes propriedades à temperatura ambiente. Importância e Limitações dos Aços-carbono Efeito do tipo de estrutura sobre as propriedades de tração do aço. Importância e Limitações dos Aços-carbono Limitações: surgem sobretudo quando necessita-se de propriedades especiais de resistência à corrosão, resistência ao calor, resistência ao desgaste, características elétricas ou magnéticas. Nesses casos, recorre-se aos aços-liga. Importância e Limitações dos Aços-carbono Temperabilidade é a capacidade de endurecimento do aço durante o resfriamento rápido (têmpera). – Capacidade de obter martensita em profundidade. A temperabilidade é uma característica dos aço. Para se aumentar a temperabilidade do aço, deve-se retardar a formação de ferrita, cementita, perlita e bainita. Existem ensaios para avaliar a temperabilidade de um aço. O mais utilizado é o ensaio Jominy pois é prático, fácil e consome pouco material. Temperabilidade Aços ao Carbono para Fundição Aço fundido é aquele que é vazado em moldes de areia ou metálicos, adquirindo a forma exata da cavidade do molde. Acabamento praticamente definitivo. Eventualmente necessita de usinagem. Aços fundidos podem apresentar tensões residuais, necessitando de tratamento térmico. É possível obter peças com grande variedade de formas e dimensões. Além de razoável resistência mecânica e tenacidade. Aço Carbono de Baixo Teor Na maioria das vezes, apresentam a seguinte composição química: As peças fundidas de aço-carbono podem ser recozidas ou normalizadas para refinar a estrutura e aliviar tensões internas. Algumas propriedades, como ductilidade, dureza e resistência mecânica, podem ser melhoradas por têmpera e revenido. Importante: A forma da peça fundida deve permitir a têmpera em água (para não haver fissura). A peça apresenta boa soldabilidade e pode ser endurecida superficialmente por cementação. Aplicações: Peças que possuem formas e dimensões bem variadas, para aplicações gerais. Fabricação de equipamentos elétricos devido as propriedades magnéticas do aço baixo carbono. Aço Carbono de Médio Teor Apresentam a seguinte composição química:000 Na peça fundida de aço médio carbono deve-se aplicar um tratamento de alívio de tensões para refinar a estrutura e melhorar propriedades mecânicas. Costuma-se fazer têmpera em água e revenido posterior. Melhora da ductilidade e resistência ao choque. A peça resultante possui boa usinabilidade e boa soldabilidade; Logo, a maioria das aplicações industriais de peças fundidas é feita com aço médio carbono. Utilizados em: Indústria automobilística Ferroviária Naval Equipamentos de escavação e construção Aço Carbono de Alto Teor ▫ Apresentam a seguinte composição química: A peça fabricada pode ser submetida a normalização e revenido. Costuma-se fazer têmpera em óleo e em seguida revenido, o que melhora apreciavelmente a resistência mecânica. São aplicados quando se exige alta dureza e resistência à abrasão. Exemplos: - Matrizes e estampas - Cilindros de laminadores Cilindros de Laminadoras Matrizes e estampas Propriedades Mecânicas dos Aços Carbono para Fundição Médio e Alto C se encontram no estado recozido. Corrosão dos Aços-carbono Principais meios corrosivos Representação esquemática do processo de corrosão atmosférica do aço-carbono Processos que protegem o Aço-carbono Tanque jaquetado Zincagem Galvanização Pintura Proteção contra o fogo Soldabilidade dos Aços ao Carbono para Fundição Aços ao Carbono para Produtos Planos Classificação dos produtos planos - Folha: laminado com espessura inferior a 0,4 mm. - Tira: laminado com espessura entre 0,3 e 5,0 mm e largura inferior a 300 mm. - Barra Chata: laminado com espessura superior a 5,0 mm e largura inferior a 300 mm. - Chapa Fina: espessura entre 0,3 e 5,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm. - Chapa Grossa: espessura superior a 5,0 mm e largura igual ou superior a 300 mm. Tiras Chapa Fina Chapa Grossa Barra Chata Folha Metálica Para a maioria das aplicações o aço é de baixo carbono. - Porém, também pode usar médio ou alto carbono. Na categoria de aços de baixo carbono pode-se considerar o Ferro Armco, que é um material de grande pureza. A maior parte dos aços utilizados em chapas e folhas é do tipo baixo carbono ou “doce”. - Não é tão puro quanto o Ferro Armco, mas é mais barato e de fabricação mais fácil. - Suas propriedades são semelhantes a do Ferro Armco. Aços ao Carbono para Molas Para atender os requisitos exigidos das molas: • quantidade de energia absorvida deformação elástica • limite de resistência alto A escolha do material depende das propriedades desejadas, aplicações, custo e técnicas de fabricação. A fabricação pode ser por 2 métodos básicos: - A partir de tiras ou fios de aços carbono no estado recozido e depois conformado na forma de mola, temperados em óleo e revenidos. - Fabricadas a partir de tiras ou fios de aço já endurecidos (temperado e revenido) e depois conformados em molas com posterior tratamento térmico para aliviar as tensões. Métodos de fabricação e principais aplicações de molas de aço em tiras conformado a frio Aços de baixo e médio teor de carbono: • Utilização em barras redondas (inclusive empregadas em concreto armado), quadradas, hexagonais, ovais barras chatas, cantoneiras , etc. *Esses perfis são empregados sem a utilização de tratamento ou mecânico posterior. Aços ao Carbono Estruturais Aços ao Carbono Estruturais Aços com alto teor de carbono: Em torno do eutetóide ou mesmo acima, já são utilizados para aplicações especiais (formas de fios ou barras) sofrendo tratamento térmico particular ou no estado encruado. Utilizados em estruturas do tipo de ponte pênsil, concreto protendido, cabos , etc. Aços ao Carbono Estruturais • Aços ao carbono estruturais podem ser classificados: - Aços de dureza natural, laminados a quente; (CA -25, CA-40, CA-50 e CA-60) Aplicação para fios* - Aços encruados a frio; (por tração, por torção e por compressão) *Por compressão são menos dúcteis que os torcidos. Após de laminados a quente, sofrem trefilação a frio Torções e estiramentos simultâneos Compressão em duas direções perpendiculares , produzindo um achatamento de grão e alongamento na direção do eixo da barra Aços ao Carbono Estruturais Aços “patenting” - para concreto protendido (até 8 mm de diâmetro) (São fabricados pelo fio-máquina e submetido antes da trefilação o tratamento de “patenteamento”) Classificação: • Primeiro tipo: são primeiramente patenteados e, em seguida trefilados. (não possuem outro tipo de tratamento térmico final) • Segundo tipo: utilização do primeiro tipo, porém após a trefilação são submetidos a um TT para alivio de tensões (reaq. 250 a 500° C em banho de Pb derretido) limite de proporcionalidade melhorado. • Terceiro tipo: são estabilizados ou adquirem propriedade de relaxação, definida como o característico pelo qual o fio estirado e mantido sobre comprimento constante , cede com o tempo e perde tensão. Aços ao Carbono Estruturais Aços ao Carbono Estruturais Aços ao Carbono para Trilhos • O material recebe choques e esforços de flexão alternados, ocorrendo desgaste na superfície. • Nas extremidades está sujeito ao amassamento devido ao golpe produzido pelo choque das composições quando estas atravessam as juntas. • Adiciona-se determinados elementos de liga ou temperar os boletos dos trilhos. • Mn (garante a ausência da “fragilidade a quente”) Aços ao Carbono para Trilhos Aços ao Carbono para Trilhos Aços ao Carbono para Tubos • Aços baixo teor de Carbono (0,10 a 0,25%) Aplicações de maior responsabilidade • Aço médio teor de Carbono( 0,3 a 0,5%) • Especificações quanto ao “Tubos de Aço de Precisão com Costura” e “Tubos de Aço de Precisão sem Costura” ABTN: EB-349 Aços ao Carbono para Tubos Aços ao Carbono para Barras, Arames e Fios Barras -Composição: 0,15% max C para baixo teor de carbono 0,15 a 0,23% C para baixo/medio teor de carbono 0,23 a 0,44% C para medio/alto teor de carbono 0,44% mín C para alto teor de carbono *barras para fios e arames especiais devem ser produzidas evitando o mínimo de imperfeições superficiais (diminuem a resistência a fadiga) Aços para Barras, Arames e Fios Fios e Arames • Trefilação do fio máquina, obtidos a partir das barras. (O material é puxado na máquina de trefilar através de fieiras de metal duro) • Durante a trefilação, o material torna-se progressivamente mais resistente e duro. Encruamento repetido TT adequado Ótimas propriedades Aços para Barras, Arames e Fios Aços para Barras, Arames e Fios Aços ao Carbono para Cementação • Teor de 0,08% a 0,25% • Tipo padrão SAE 1020 • Mn mais alto (0,7% a 1%) • TT é fácil e perfeitamente controlável • Superfície dura e resistente ao desgaste • Não estão sujeitas a solicitações severas Aços ao Carbono para Mancais Requisitos: Resistência mecânica, dureza, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e calor. • Temperatura máxima de 120° C e 150° C e mínima de -50°C. • Lubrificação com óleo, graxa. • Tensões máximas de 2,1 e 2,3 GPa. Aços ao Carbono para Mancais Aços cementados para mancais. Aços ao Carbono Resistentes ao Calor Requisitos: • Resistência à corrosão • Resistência à Fluência • Características: Expansão térmica, estabilidade estrutural e fadiga. • Utiliza aço de baixo carbono quando não importam à oxidação e à corrosão Aços ao Carbono Resistentes ao Calor Composição química de aços utilizáveis à temperaturas elevadas Curiosidades Curiosidades Distribuição setorial do consumo aparente de produtos planos em aços carbono – por consumidores finais (t) Curiosidades Curiosidades Principais setores consumidores de aço. Dados de Mercado (2014) – Instituto Aço Brasil Curiosidades ConclusãoVersatilidade Maior utilização “Aço base” Referências Bibliográficas http://www.rioinox.com/Aço%20Carbono.pdf Aços e Ferros Fundidos -Vicente Chiaverini- 7ª edição Ciência e Engenharia de Materiais, uma Introdução. W. D. Callister Jr. – 5ª edição http://www.acobrasil.org.br/site2015/ http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100- 40422015000200293 http://www.ebah.com.br/content/ABAAABbcYAC/corrosao-aco- carbono
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