apostila curso mecanico - metalografia

Técnico em Metalurgia Disciplina: Metalografia

Meta - Escola Técnica de Formação Profissional Ltda.

Metalografia

Professor :Tiago Gonçalves

Belo Horizonte, 10/08/2010



INTRODUÇÃO

A grande maioria dos metais, que apresentam alguma importância tecnológica

para o homem, são encontrados na natureza na forma de compostos, principalmente

como sulfetos e óxidos. Por isto estes materiais são submetidos a diferentes

operações visando basicamente a sua redução e seu refino. Estas operações

freqüentemente envolvem a fusão do material e levam à obtenção de um produto final

ou intermediário, isto é, uma peça fundida ou um lingote.

Por exemplo, o processo mais comum para a obtenção dos aços envolve a

redução do minério de ferro pelo monóxido de carbono, em um alto forno, levando à

obtenção de uma liga impura de ferro (ferro gusa) que, no estado liquido, o qual

alimenta um vaso de refino (convertedor LD). Neste, um jato de oxigênio, que queima o

carbono, e a escória, que retira enxofre e fósforo do metal liquido, realizam o refino. Ao

final do processo, elementos de liga e desoxidantes são adicionados para ajustar a

composição e reduzir o teor de oxigênio dissolvido no aço liquido. Este é então vazado

e, após a sua solidificação, obtém-se o lingote, o qual é submetido a uma série de

operações compreendendo um conjunto de tratamentos térmicos e mecânicos visando

a obtenção de um produto final com forma definida (chapa, barra, perfil, etc.),

dimensões e propriedades desejadas. Os tratamentos térmicos e mecânicos a que, por

exemplo, um lingote é submetido para a obtenção de um produto final não visam

somente dar a forma e dimensão a este produto. Eles também objetivam controlar e

otimizar as suas propriedades. Isto porque, ao contrário dos sistemas líquidos ou

gasosos, muitas das propriedades dos sólidos, em particular dos metais, estão

relacionadas diretamente com a sua estrutura. Esta, por sua vez, depende dos

diversos processamentos sofridos anteriormente pelo material, isto é, da sua história.

A figura 1 ilustra esta relação fundamental para um aço com 0,8%C, após

tratamento térmico a 900°C.



Figura 1 - Variação do limite de escoamento com a velocidade de resfriamento para

um aço SAE 1080, inicialmente aquecido a 900°C por uma hora.

O termo estrutura é muito geral e pode compreender desde aspectos

grosseiros, com dimensões superiores a cerca de 0,1 mm (macroestrutura), até

detalhes da organização interna dos átomos (estrutura eletrônica). Para analisar a

relação estrutura – propriedades; a metalurgia física interessa-se principalmente pelo

arranjo e interação dos átomos, que compõem as diversas fases de uma liga

(estrutura cristalina) e pelo arranjo, interações e dimensões dos diversos cristais

destas fases (microestrutura). Diversas propriedades mecânicas, físicas e químicas

das ligas metálicas podem ser estudadas a nível destas estruturas. A tabela I ilustra

os diferentes níveis estruturais com alguns exemplos de detalhes que podem ser

comumente observados nestes.



Tabela I - Níveis estruturais, exemplos de técnicas usuais para análise e de detalhes

que podem ser observados (a)

NÍVEL

ESTRUTURAL

DIMENSÕES

APROXIMADAS

EXEMPLO DE

TÉCNICAS DE

ESTUDO

DETALHES

COMUNS

Macroestrutura > 100 m

Macrografia,

radiografia

Segregação,

trincas,

camadas

cementadas

Microestrutura Microestru Microestru Microestru

100 m a 0,1 m

0,1 m a 0,001 m

Microscopia ótica

(MO)

Microscopia

eletrônica de

varredura (MEV)

Microscopia eletrônica

de transmissão (MET)

Tamanho de

grão,

microconstituin

tes,

microtrincas

Precipitados

submi-

croscopicos,

células de

deslocações

Estrutura cristalina 10R - 1

Difração de raios - X Células

unitárias,

parâmetros de

rede, defeitos

cristalinos

Estrutura Eletrônica < 1Ã

Espectrometria de

emissão ótica

Níveis

atômicos

defeitos

eletrônicos

Observações

(a) Esta tabela é apenas ilustrativa e a separação adotada dos níveis estruturais é

arbitrária;

(b) 1 m = 10 -3 mm, 1R = 10 -7 mm

(c) Alguns dos termos apresentados são discutidos ao longo deste texto.



ESTRUTURA CRISTALINA

Ao se observar, no microscópio metalográfico, a seção de um metal puro,

polida e atacada convenientemente, pode-se notar que este é formado por grãos

separados entre si por contornos de grão (figura 2): num nível atômico, os grãos. são

formados por um arranjo de átomos que pode ser descrito nela repetição, nas três

dimensões, de uma unidade básica (célula unitária). Esta forma de arranjo atômico é

denominada estrutura cristalina dos metais. Existem diferentes tipos de células

unitárias e, portanto, diferentes tipos de estruturas cristalinas na natureza. Contudo, a

grande maioria dos metais se apresenta em uma, ou mais, de três estruturas básicas:

cúbica de corpo centrado (CCC), cúbica de faces centradas (CFC) e Hexagonal

compacta (HC), figura 3. A tabela II mostra a estrutura cristalina de alguns metais

puros comuns.

Figura 2 - Representação esquemática da superfície de um metal puro observada ao

microscópio ótico.

Tabela II - Estruturas cristalinas de alguns metais puros.

Estrutura Cristalina Exemplos

Cúbica de corpo Centrado (CCC) Fe α (abaixo de 910°C) Cr, V, Mo, W

,Nb

Cúbica de faces centradas (CFC) Fe γ (entre 910 e 1390°C), Al, Ag,

Au , Cu, Ni, Pt

Hexagonal compacta (HC) Zn ,Hg, Be, Zr, Hf



Figura 3 - Estruturas cristalinas mais comuns dos sólidos metálicos, onde as

dimensões a e c são os parâmetros de rede.

O tipo de estrutura cristalina confere diversas características particulares a um

dado metal puro. Diversos metais podem possuir mais de uma forma cristalina em

função da temperatura e pressão. Esta característica (polimorfismo) é apresentada, por

exemplo, pelo ferro, tendo enorme importância tecnológica ao determinar a

possibilidade dos aços responderem a tratamentos térmicos. Na pressão normal, o

ferro tem estrutura CCC abaixo de 910°C, sendo conhecido como ferro . Entre. 910 e

1390°C, este elemento tem estrutura CFC (Fe ) e, entre 1390°C e 1534°C, volta a ter

estrutura CCC (Fe). A 1534°C, o ferro se funde.

Comercialmente, a maioria dos metais é utilizada na forma de ligas, onde

estruturas cristalinas como as anteriormente descritas são formadas, além de outros

tipos. As ligas poderão ser monofásicas ou polifásicas, conterão impurezas formando

inclusões não metálicas e diversos tipos de precipitados. Este conjunto de fases e

constituintes formam a microestrutura de liga. Os exames e análises desta

microestrutura constituem uma etapa fundamental para o entendimento do

comportamento da liga em serviço, suas propriedades e características bem como

fazem parte do projeto de uma nova liga.

MICROESTRUTURA

A microestrutura de um material compreende as características físicas do

material que podem ser observadas ao microscópio (macroestrutura, em contrapartida,

se refere às características observáveis ao olho nú). Um microscópio ótico de boa

qualidade pode produzir um aumento por volta de 1000x, enquanto que um

microscópio eletrônico moderno é capaz de ampliar uma imagem 1500000x ou mais.

Consequentemente, a microestrutura cobre uma faixa de características entre 1E10-9

[m] (1 [nm], ou 10 Å) até 1000 μm (isto é: 1E10-3 [m], ou 1 [mm]).



Muitas das características estruturais (como, por exemplo, o tamanho dos

grãos) que governam as propriedades dos materiais caem dentro da faixa da

microestrutura, ressaltando, assim, o motivo pelo qual o estudo e o controle da

microestrutura dos materiais é tão importante.

A microestrutura dos materiais depende fundamentalmente da composição

química e dos tratamentos térmicos e mecânicos aos quais o metal foi submetido.

Infelizmente só podemos determinar (com precisão crescente) a composição química

– mas não quais foram os tratamentos que produziram uma determinada

microestrutura!

A conclusão mais importante que emerge desse contexto é a constatação de

que existe uma relação que entre a microestrutura, as propriedades e o

processamento (Figura 4): por meio de um processamento almeja-se uma dada

microestrutura que, por sua vez, fornece as propriedades desejadas ao material. A boa

performance de um componente mecânico em serviço, por exemplo, é função dessa

relação. Em caso de insucesso – quando possível – deve-se reprocessar o material,

com parâmetros diferentes (e os custos associados), para que o objetivo seja atingido.

Figura 4- Relação entre o processamento, a microestrutura e as propriedades

METALOGRAFIA

A Metalografia consiste do estudo dos constituintes e das estruturas dos metais

e suas ligas. A apropriada preparação de amostras para análise metalográfica, para a

caracterização dos materiais metálicos requer que um rígido procedimento seja

seguido. A seqüência inclui a identificação, a escolha da seção a ser estudada, o

seccionamento, montagem (embutimento), lixamento de desbaste e de acabamento,

polimento, ataque químico e exame ao microscópio. As amostras devem ser mantidas



limpas e o procedimento de preparação cautelosamente seguido, de forma a não

influenciar nos resultados e revelar as reais microestruturas dos materiais.

MACROGRAFIA

O exame macrográfico verifica o aspecto de uma superfície após devidamente

polida e atacada por um reagente adequado. Por seu intermédio tem-se uma idéia do

conjunto, referente à homogeneidade do material, a distribuição e natureza das falhas,

impureza e ao processo de fabricação.

A analise é feita a olho nu,com lupa ou com utilização de microscópios estéreos que

favorecem a profundidade de foco e dão, portanto, visão tridimensional da área

observada com aumentos que podem variar de 5x a 64X. Em geral as observações são

feitas até 10X

MICROGRAFIA

Consiste no estudo dos produtos metalúrgicos, com o auxílio do microscópio,

onde se pode observar e identificar algumas características dos metais como a

granulação do material, a natureza, a forma, a quantidade, e a distribuição dos diversos

constituintes ou de certas inclusões. O microscópio ótico é suficiente na maioria das

vezes para observação de propósito geral.

DEFINIÇÕES

O aço é um liga de natureza complexa e sua definição não é simples, visto que a

rigor os aços comerciais não são ligas binárias, uma vez que apesar dos principais

elementos serem o Fe e C, existem elementos secundários presentes no mesmo, como

o fósforo, enxofre e silício.

Por definição, temos que: “Aço é uma liga de ferro carbono, contendo

geralmente 0,008 (que corresponde à solubilidade do C no Fe a temperatura ambiente)

à 2,11% (solubilidade máxima de C dissolvido no Fe a 1148º C, além de certos

elementos residuais, resultantes do processo de fabricação do mesmo . Distingue-se

do ferro fundido pelo teor de C, que também é uma liga de “ferro, carbono e Si”, mas

com teor de carbono entre 2,11% e 6,67%. A diferença fundamental entre ambos é que

os aços, pela sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja, laminação e

extrusão, enquanto que peças em ferros fundidos são fabricadas pelo processo de

fundição.



CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS

Os aços podem ser classificados em geral da seguinte forma:

Quantidade de carbono (Aços-Carbono)

Quanto à constituição microestrutural

Composição química

Aços ao Carbono

Podem ser subdivididos em :

Aços de baixo teor de carbono, com C inferior a 0,2%

Aços de médio teor de carbono, com teor de C entre 0,2 e 0,5 %.

Aços de alto teor de carbono- com teor de C acima de 0,5 %.

Quanto à constituição microestrutural

Além dos componentes principais indicados, o aço incorpora outros elementos

químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do combustível

empregue no processo de fabricação, como o enxofre e o fósforo. Outros são

adicionados intencionalmente para melhorar algumas características do aço para

aumentar a sua resistência, ductibilidade, dureza ou outra, ou para facilitar algum

processo de fabricação, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o

níquel, o cromo, o molibdênio e outros. Se o aço apresentar teor de elementos

residuais superiores aos normais (elementos de liga), denominamos aços-ligas.

Os Aços - liga contém quantidades específicas de elementos de liga diferentes

daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. Estas quantidades são

determinadas com o objetivo de promover mudanças nas propriedades físicas e

mecânicas que permitam ao material desempenhar funções especificas. 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

O aço inoxidável, por exemplo, é uma liga de ferro, carbono e cromo, podendo conter também níquel, molibdênio e outros elementos, que apresenta propriedades físico-químicas superiores aos aços comuns, sendo a alta resistência à oxidação atmosférica a sua principal característica.

Estes elementos de liga, como o cromo e o níquel, que conferem uma excelente resistência à corrosão e ductibilidade, quando comparados com os aços carbono são denominados elementos de liga. Na verdade qualquer outro elemento nos aços que não seja o Fe e C, ou seja, constituintes básicos dos aços, são denominados elementos de liga.



Os aços-liga costumam ser designados de acordo com o elemento predominante. Por exemplo: aço-níquel, aço-cromo, aço- cromo- vanádio. Em geral os aços ligados classificam-se em:

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%.

Aço baixa liga de alta resistência: Aço com teor de carbono inferior a 0,25%, com teor total de elementos de liga inferior a 2,0%. Neste grupo de aço, os elementos mais comuns são o Nióbio, o Vanádio e o Titânio.

Abaixo verifica se a influência de alguns dos principais elementos de liga

presentes 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, distribui-se na estrutura em forma de partículas microscópicas, o que resulta em maior facilidade de usinagem. Entretanto, devido ao baixo ponto de fusão (cerca de 327°C), aços com chumbo não devem ser usados em temperaturas acima de 250°C. Cobalto (Co): aumenta a temperabilidade dos aço sob altas temperaturas. Cobre (Cu): melhora a resistência à corrosão por agentes atmosféricos, se usado em teores de 0,2 a 0,5%. 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. Enxofre (S): é, na maioria dos casos, 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. 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 em aços para aplicações estruturais ou críticas. Manganês (Mn): nos aços temperáveis, aumenta a dureza após o processo de



têmpera. 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. Níquel (Ni): em média, para cada 1% de níquel, a resistência à tração aumenta 40 MPa, mas o limite de elasticidade é mais favorecido. Melhora significativamente a capacidade de têmpera, possibilitando redução da velocidade de resfriamento. O níquel altera a alotropia do ferro e teores acima de 25% fazem reter a austenita em temperaturas usuais, fazendo um aço austenítico, que é não magnético e bastante resistente à corrosão. Com 36% de Ni, o aço tem o menor coeficiente de dilatação térmica e é usado em instrumentos de medição. Em conjunto com o cromo, o aço pode ser austenítico com a combinação 18% Cr e 8% Ni. 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. Tungstênio (W): aumenta a resistência à tração em altas temperaturas. Forma carbonetos bastante duros e é usado em aços para ferramentas (aços rápidos). Vanádio (V): refina a estrutura do aço, impedindo o crescimento 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.

Hidrogênio (H) – A presença do hidrogênio é negativa, produzindo uma fragilidade no aço, diminuindo a sua elasticidade, além de contribuir para formação do defeito chamado “flocos”.

Nitrogênio (N) – Em aços inoxidáveis austeníticos, o Nitrogênio estabiliza a estrutura, aumenta a dureza e o limite do escoamento. Nos aços de nitretação, aumenta a dureza da superfície com a formação de nitretos, porém o nitrogênio é prejudicial ao aço de baixa liga, porque abaixa a tenacidade causando a fragilidade azul, além de facilitar a corrosão intergranular.

Boro (B) – O Boro adicionado a liga do aço, em quantidades bem pequenas, aumenta a profundidade da camada temperada e por isso a dureza no núcleo dos aços

temperados. Nos aços inoxidáveis austeníticos aumenta o limite elástico diminuindo contudo, a resistência a corrosão.

Quanto à composição química

Os aços-liga seguem as mesmas classificações dos aços-carbono, ou seja, são

divididos em Graus, Tipos e Classes. Os sistemas de designação também são os



mesmos, destacando-se o SAE (Society of Automotive Engineers), AISI (American Iron

and Steel Institute), ASTM (American Society for Testing and Materials) e UNS (Unified

Numbering System).

Na tabela abaixo, segue alguns códigos da SAE (Society of Automotive Engineers):

Tabela III: Códigos da classificação SAE.

Código SAE Descrição ou principais elementos de liga

10xx Aços-carbono de uso geral

11xx Aços de fácil usinagem, com enxofre

13xx Manganês (1,75%)

15xx Manganês (1,00%)

23xx Níquel (3,50%)

25xx Níquel (5,00%)

31xx Níquel (1,25%), cromo (0,65%)

33xx Níquel (3,50%), cromo (1,55%)

40xx Molibdênio (0,25%)

41xx Cromo (0,50 ou 0,95%), molibdênio (0,12 ou 0,20%)

43xx Níquel (1,80%), cromo (0,50 ou 0,80%), molibdênio (0,25%)

46xx Níquel (1,55 ou 1,80%), molibdênio (0,20 ou 0,25%)

47xx Níquel (1,05%), cromo (0,45%), molibdênio (0,25%)

48xx Níquel (3,50%), molibdênio (0,25%)

50xx Cromo (0,28% ou 0,40%)

51xx Cromo (0,80, 0,90, 0,95, 1,00 ou 1,05%)

61xx Cromo (0,80 ou 0,95%), vanádio (0,10 ou 0,15%)

86xx Níquel (0,55%), cromo (0,50 ou 0,65%), molibdênio (0,20%)


92xx Manganês (0,85%), silício (2,00%)


94xx Manganês (1,00%), níquel (0,45%), cromo (0,40%), molibdênio

(0,12%)



Os vários tipos de aços utilizados na indústria da construção mecânica são classificados com o sistema de codificação SAE/AISI que usa em geral quatro algarismos na forma ABXX onde: A e B - números que identificam os principais elementos de liga presentes no aço e seus teores dados em porcentagem de peso. XX - indicam a porcentagem em peso de carbono do aço dividido por 100.



Isso significa dizer que um aço identificado como 1045 contém 0,45 % em peso

de carbono em sua composição química. Quando a letra B aparece entre os dois

primeiros números e os dois últimos indica que o aço tem um teor de boro no mínimo

0,0005% em peso (o boro, quanto presente no aço em teores muito baixos, facilita a

têmpera do aço, aumentando a sua resistência).

Quando o teor de carbono excede 1% o sistema admite a utilização de cinco algarismos. O aço prata, utilizado principalmente na fabricação de anéis, esferas e roletes de rolamentos, pois apresenta uma dureza elevada, é codificado como 52100 o que corresponde a, 1,5% Cr e 1% de carbono.

Tabela IV - Sistema de codificação SAE/AISI.

Designação

Tipo de aço

SAE AISI

10XX C10XX Aços carbono comuns

11XX C11XX Aços de usinagem (ou corte) fácil, com alto S

13XX 13XX Aço manganês com 1,75% de Mn

23XX 23XX Aços Níquel com 3,5% de Ni

25XX 25XX Aços Níquel com 5,0% de Ni

31XX 31XX Aços Níquel Cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr

33XX E33XX Aços Níquel Cromo com 3,5 % de Ni e 1,55 Cr

40XX 40XX Aços Molibdênio com 0,25% de Mo

41XX 41XX Aços Cromo Molibdênio com 0,50% ou 0,90% de Cr e 0,12% ou 0,20% de Mo

43XX 43XX Aços Níquel cromo com molibdênio com 1,80% de Ni e 0,20% ou 0,25% de Mo

46XX 46XX Aços Níquel Molibdênio com 1,55% ou 1,80% de Ni e 0,20% ou 0,25% de Mo

47XX 47XX Aços Níquel Cromo Molibdênio com 1,05%de Ni, 0,45% de Cr e 0,20 de Mo

48XX 48XX Aços Níquel Molibdênio com 3,5 % de Ni e 0,25% de Mo

50XX 50XX Aços cromo com 0,28% ou 0,65% de Cr

50BXX 50BXX Aços cromo boro com baixo teor de Cr e no mínimo 0,0005% de B

51XX 51XX Aços cromo com 0,80 a 1,05% de Cr

61XX 61XX Aço cromo vanádio com 0,8 ou 0,95% de Cr a 0,1% ou 0,15% de v

86XX 86XX Aços níquel molibdênio com baixos teores de Ni, Cr e Mo

87XX 87XX Idem



92XX 92XX Aço Si- Mn com 0,85% de Mn e 2,0% de Si

93XX 93XX Aços silício manganês com 3,25% de Ni, 1,20% de Cr e 0,12% de Mo

98XX 98XX Aço níquel cromo molibdênio com 1,0% de Ni,0,80 de Cr e 0,25% de Mo

ALOTROPIA DO FERRO

O ferro é um metal que se caracteriza por apresentar várias fases alotrópicas,

como mostrado na figura 4. A temperatura ou ponto de fusão do ferro é 1538º C e

abaixo dessa temperatura o ferro se cristaliza em diferentes sistemas cristalinos.

Observa- se que o ferro sólido, ao ser aquecido a partir da temperatura ambiente,

muda sua estrutura cristalina de cúbica de corpo centrado (CCC) para cúbica de face

centrada (CFC) a 912ºC. Continuando o aquecimento, a 1394 º C, o ferro novamente

modifica sua estrutura, passando de CFC para CCC

Figura 5 - Transformações de fase no ferro puro. Fonte: Aços e ligas especiais - Costa

e Silva.

DIAGRAMA FERRO-CARBONO

As ligas ferro-carbono ainda hoje representam os materiais de maior utilização

prática. Isto se deve ao fato de que estas ligas podem apresentar uma grande variação

nas suas propriedades pela simples variação na quantidade de carbono e ainda

possibilitam que se tenha uma gama maior de propriedades se considerarmos a



possibilidade de deformação plástica e os tratamentos térmicos. A base para que este

material tenha estas características está principalmente atrelado ao fato de que o ferro

puro apresenta transformação alotrópica e que o carbono forma uma solução sólida

intersticial com o ferro. Isto conduz a uma série de possibilidades de transformações,

cada uma com suas microestruturas típicas, resultando na grande variação das

propriedades. As transformações em uma liga ferro-carbono são influenciadas

basicamente pela temperatura e pelo teor de carbono. Se considerarmos apenas este

dois fatores poderemos montar um mapa das transformações que irão ocorrer, o qual

será chamado de diagrama de equilíbrio. Nesta representação podemos ver as fases

que estarão presentes para cada temperatura e composição e também os pontos que

são fundamentais para a compreensão das transformações.

Quando dois metais se misturam para formar uma solução sólida, os átomos do soluto

podem substituir uma fração dos átomos da matriz (solução solida substitucional -

Figura 4a e 4b), ou se alojar nos espaços vazios da matriz (solução sólida intersticial).

Para que uma solução solida substitucional seja formada ,é necessário que haja

compatibilidade eletroquímica, os tamanho dos átomos do soluto, ou seja, próximo dos

átomos do matriz, com uma variação de até 15% no raio ou diâmetro atômico.

Figura 6- Solução solida substitucional ordenada (a) e aleatória (b). Fonte: Aços e

ligas especiais-Costa e Silva.

Figura 7 - Solução solida intersticial, por exemplo, carbono dissolvido no Fe CFC.

Fonte: Aços e ligas especiais-Costa e Silva.



O diagrama ferro carbono é mostrado na Figura 8:

Temperatura ( ºC)

Figura 8 - Diagrama de equilíbrio Fe-C. Fonte: Aços e Ferros fundidos - Vicente

Chiaverini.



Algumas das fases que aparecem no diagrama ferro carbono são descritas a

seguir para maior entendimento do leitor.

Ferrita (α)

Trata-se de uma solução sólida em ferro CCC, existente até a temperatura de

912 º C. Nessa faixa de temperatura, a solubilidade do carbono no ferro é muito baixa,

chegando ao máximo de 0,0212 % a727 ºC.

Na temperatura ambiente, a máxima solubilidade do carbono no ferro é de 0,008 %.

Assim, até 0,008 % de carbono, o produto siderúrgico seria chamado de ferro

comercialmente puro. A figura 9 mostra um aço com microestrutura ferrítica:



Figura 9 - Aço carbono SAE 1015 recozido a 900º C - 3h.Fundo claro evidencia a

microestrutura ferrítica.

Austenita (γ)

Solução sólida de carbono em ferro CFC, existindo entre as temperaturas de

912 e 1495 º C, com solubilidade máxima de carbono no ferro de 2,11 % à temperatura

de 1148 ºC. O teor de carbono 2,11% é adotado como separação teórica entre os aços

e os ferros fundidos. A figura 10 mostra a microestrutura característica de aço

inoxidével.

a)

b)

Figura 10 - Aço Inoxidável Austenitico não deformado com austenita na forma

poligonal - 500 X (a) e Aço Inox Austenitico 304 recozido com ampliação de200 X (b)



Cementita (Fe3C)

A cementita é o carboneto de ferro Fe3C contendo 6,67 % C em carbono, muito

dura e quebradiça, e é responsável pela elevado dureza e resistência dos aços alto

carbono, assim como pela sua menor ductibilidade.A mesma apresenta estrutura

cristalina ortorrômbica

Figura 11 - Aço tratado termicamente com cementita em forma esférica (globular)

A perlita, nome devido à nuance de cores de madrepérola que esse constituinte

apresenta ao microscópio , é constituído por uma mistura mecânica de 88,5 de ferrita e

11,5 de cementita, na forma de finas lâminas de espessura raramente superior a um

milésimo de milímetro disposta alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita

são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo do

tamanho das partículas de cementita. Sua resistência à tração é, me média, 75

kgf/mm2 (cerca de 740 MPa). A proporção de perlita num aço cresce de 0% para o ferro

até 100% para o aço eutetóide (0.77 % de carbono), de modo que um aço com 0.5 %

de carbono, por exemplo, apresentará cerca de 65 % de perlita.



Figura 12 – Microestrutura perlítica : mistura lamelar de ferrita e cementita, à esquerda

perlita grossa e direita perlita fina.



DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA E CURVAS TTT



A ferrita forma-se por difusão, nucleando principalmente nos contornos de grão

da austenita. A medida que se aumenta a taxa de resfriamento à ferrita passa-se

nuclear no interior do grão austenitico, originando a chamada ferrita de Widmanstatten

intragranular.

Figura 13 - Microestrutura de um Aço Médio Carbono : partes claras ferrita (Fe α) e

escura perlita



Figura 14 - Microestrutura típica do constituinte perlita.



A martensita apresenta na forma de ripas (laths) ema aços baixos carbono e e na forma de agulhas ( thin plates) em aços alto carbono.



Figura 15 – Microestrutura típica de um Aço Inoxidável Austenitico ABNT 420 com

martensita na forma de agulhas.

AÇOS INOXIDÁVEIS

O que é um "Aço Inoxidável"? A expressão aço inoxidável, como é usualmente conhecido, nos dá uma idéia de um material que não se destrói mesmo quando submetido aos mais violentos abusos. Na verdade este tipo de aço não é eterno e sim apresenta geralmente uma maior resistência à corrosão, quando submetido a um determinado meio ou agente agressivo. Apresenta também uma maior resistência à oxidação a altas temperaturas em relação as outras classes de aços, quando, neste caso em particular, recebe a denominação de aço refratário. A resistência à oxidação e corrosão do aço inoxidável se deve principalmente a presença do cromo, que a partir de um determinado valor e em contato com o oxigênio, permite a formação de uma película finíssima de óxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. Assim podemos definir como aço inoxidável o grupo de ligas ferrosas resistentes a oxidação e corrosão, que contenham no mínimo 12% de cromo.

O papel do cromo e a passividade

Os aços inoxidáveis são, basicamente, ligas ferro-cromo; outros metais atuam como elementos de liga, mas, o cromo é o mais importante e sua presença é indispensável para se conferir a resistência à corrosão desejada. Como está indicado na figura 16, um mínimo de 11% de cromo é necessário para que as ligas ferro-cromo sejam resistentes à corrosão atmosférica.



Figura 16 – Efeito do teor crescente de Cr na resistência à corrosão atmosférica de ligas Fe-Cr. Quando comparamos os aços inoxidáveis com alguns metais ou ligas, observamos diferenças importantes. O comportamento típico de um metal em presença de um determinado meio agressivo é mostrado na figura 17. Imaginemos um metal qualquer imerso numa solução ácida que tenha um certo poder oxidante, indicado pelo ponto A na figura. Nestas condições, o metal estará em condições adversas e sofrerá corrosão. Se o poder oxidante da solução é aumentado, adicionando-se, por exemplo, cátion férrico, a taxa de corrosão também aumenta rapidamente.

Figura 17 – Comportamento ativo de um metal em soluções ácidas oxidantes. Como pode ser observado na figura 18, o comportamento dos aços inoxidáveis é diferente. A princípio, apresentam um comportamento semelhante a outros metais (região l a 2 na figura 3) mas, quando se atinge um determinado poder oxidante na solução, produz-se uma grande diminuição na taxa de corrosão, como é observado nos pontos 3 e 4 (tanto que no ponto 3 a taxa de corrosão é da ordem de 1.000 a 10.000 vezes menor que em 2).



Figura 18 – Comportamento passivo de um emtal em soluções ácidas oxidantes. A partir do ponto 3, por mais que se aumente o poder oxidante da solução, não existirão aumentos da taxa de corrosão. No entanto, a partir do ponto 4, novos aumentos no poder oxidante provocarão novamente um aumento na taxa de corrosão. A região 1 - 2 é conhecida como região de atividade, a 3 - 4 como região de passividade e, a partir de 4 passando pela 5, temos a região de transpassividade. As figuras 17 e 18 mostram claramente as diferenças existentes, em termos de resistência à corrosão, entre os aços inoxidáveis e alguns outros metais e ligas. O fenômeno da passividade é comunicado aos aços inoxidáveis pelo cromo e é por isso que apresentam excelente comportamento em muitos meios agressivos. Já o estado passivo é conseqüência da formação de um filme extraordinariamente fino de óxido protetor (espessura de 3O a 5O A) na superfície dos aços inoxidáveis. Influência dos outros elementos no aço inoxidável Outros elementos podem estar presentes, como o Níquel, Molibdênio, Nióbio e Titânio, em proporções que caracterizam a estrutura, propriedades mecânicas e o comportamento final em serviço do aço inoxidável. Porém, para se ter uma idéia mais clara, podemos resumir brevemente o papel de cada um: Níquel: Sua adição provoca também uma mudança na estrutura do material que apresenta melhores características de: - ductilidade (ESTAMPAGEM) - resistência mecânica a quente - soldabilidade (FABRICAÇÃO) Aumenta a resistência à corrosão de uma maneira geral. O Cromo e o Níquel então constituem os elementos primordiais dos aços inoxidáveis. Outros elementos complementam suas funções.



Molibdênio e Cobre: Têm a finalidade de aumentar a resistência à corrosão por via úmida. Silício e Alumínio: Melhoram a resistência à oxidação a alta temperatura. Titânio e Nióbio: São elementos "estabilizadores" nos aços austeníticos, impedindo o empobrecimento de cromo via precipitação em forma de carbonetos durante aquecimento e/ou resfriamento lento em torno de 700 ºC, que provocaria uma diminuição da resistência local à corrosão.Existem ainda outros elementos que modificam e melhoram as características básicas dos aços inoxidáveis, como o manganês e o nitrogênio, o cobalto, o boro e as terras raras, porém são muito específicos. Classificação dos aços inoxidáveis

Os aços inoxidáveis são classificados em geral três grupos de acordo com a microestrutura básica : aços Martensíticos, Ferríticos e Austeníticos. Existem também os aços inoxidáveis Duplex (mistura de austeníticos e ferrítico) e os aços endurecíveis por precipitação.

Microestrutura Capacidade de ser tratado

termicamente

Elementos de liga básicos

Série

Martensítica Endurecível Cromo 400

Ferrítica Não endurecível Cromo 400

Austenítica Não endurecível Cromo-Níquel 300

Martensítico Estes aços, após resfriamento rápido de alta temperatura, mostram uma estrutura caracterizando alta dureza e fragilidade, denominada Martensítica. Contém de 12 a 17% de Cromo e 0.1 a 0.5% de carbono (em certos casos até 1% de carbono) e podem atingir diversos graus de dureza pela variação das condições de aquecimento e resfriamento (tratamento térmico). São dificilmente atacados pela corrosão atmosférica no estado temperado e se destacam pela dureza. São ferromagnéticos. Apresentam trabalhabilidade inferior as demais classes e soldabilidade pior, especialmente com carbono mais elevado, devido á formação de martensita no resfriamento.



Composição química máxima de alguns aços martensíticos (%):

Tipo de aço

ABNT

C Mn Si P S Cr Ni Outros

403 0,15 1,00 0,50 0,040 0,030 11,50 13,00

405 0,08 1,00 1,00 0,040 0,030 11,50 14,50

Al 0,10/0,30

410 0,15 1,00 1,00 0,040 0,030 11,50 13,50

Propriedades mecânicas de alguns aços martensíticos:

Tipo de

Aço ABNT

Estado

Resistência à tração N/mm2

Limite de escoame

nt o à 0,2%

N/mm2

Alongamento em 50,8

mm percentual

Dureza

Rockwell

Dobrament

o livre

e <= 0,38 mm

0,38 < e < 0,76 mm

e >= 0,76 mm

Angulo* Fator(1)

403 recozido

490,0 315,0 25 - - B 80 180

405 recozido

455,0 280,0 25 - - B 75

410 recozido

490,0 315,0 25 - - B 80 180



Figura 19 - Aço Inoxidável Martensítico; aumento 1000X. Austeníticos Os aços inoxidáveis apresentam uma boa resistência á corrosão, porém, em alguns casos outras características além da resistência à corrosão são necessários, para a utilização dos mesmos em determinadas aplicações; acrescentamos então outros elementos de liga para que o aço inoxidável adquira essas características. Uma grande melhoria em muitas propriedades é conseguida com a introdução de Ni como elemento de liga. Consegue-se uma mudança na estrutura, transformando ligas ferríticas em ligas austeníticas (estrutura de alta resistência e tenacidade). Os aços inoxidáveis austeníticos são conhecidos pela sua excelente resistência à corrosão em muitos meios agressivos. Outros elementos como molibdênio, titânio e nióbio, se adicionados podem melhorar a resistência á corrosão e minimizar a corrosão intergranular por estabilização dos carbonetos presentes. Dos três grupos, estes aços são os que apresentam maior resistência à corrosão. Eles combinam baixo limite de escoamento com alta resistência a tração e bom alongamento, oferecendo as melhores propriedades para trabalho a frio. Não podem ser endurecidos por tratamento térmico, mas suas resistência a tração e dureza podem ser aumentadas por encruamento. Não são ferromagnéticos. Eles possuem uma ampla faixa de propriedades mecânicas, oferecendo boa ductilidade e resistência a altas e/ou baixíssimas temperaturas, além de boa trabalhabilidade e soldabilidade. Composição química máxima de alguns aços austeníticos (%):

Tipo de aço

ABNT

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Outros

201 0,15 5,50 1,00 0,060 0,030 16,00 3,50 N

7,50 18,00 5,50 0,25



202 0,15 7,50 1,00 0,060 0,030 17,00 4,00 N

10,00 19,00 6,00 0,25

Propriedades mecânicas de alguns aços austeníticos:

Tipo de

Aço ABN

T

Estado

Resistência à tração N/mm2

Limite de escoamento à 0,2% N/mm2

Alongamento em 50,8 mm

percentual

Dureza

Rockwell

e <= 0,38 mm

0,38 < e < 0,76 mm

e >= 0,76 mm

201 recozido ¼ duro ½ duro ¾ duro duro

665,0 875,0*

1050,0* 1225,0* 1295,0*

315,0 525,0* 770,0* 945,0* 980,0*

40 20* 9* 3* 3*

40 20* 10* 5* 4*

40 20* 10* 7* 5*

B 90 C 25 C 32 C 37 C 41

202 recozido ¼ duro

630,0 875,0*

315,0 525,0*

40 12*

- -

- -

B 90 C 25

Figura 20 -Aço Inoxidável Austenítico recozido; aumento 200X.

Ferríticos Após resfriamento rápido de alta temperatura eles mostram uma estrutura macia e tenaz, altamente homogênea, conhecida com ferrítica. Contém de 16 a 30% de



Cromo. Não podem ser endurecidos por tratamento térmico e são basicamente usados nas condições de recozido. Possuem uma maior trabalhabilidade. e maior resistência à corrosão que os aços martensíticos devido ao maior teor de cromo. Possuem boas propriedades físicas e mecânicas e são efetivamente resistentes à corrosão atmosférica e a soluções fortemente oxidantes.São ferromagnéticos. As aplicações principais são aquelas que exigem boa resistência à corrosão, ótima aparência superficial e requisitos mecânicos moderados. Apresentam, tendência ao crescimento de grão após soldagem, particularmente para seções de grande espessura, experimentando certas formas de fragilidade. Composição química máxima de alguns aços ferríticos (%):

Tipo de aço

ABNT

C

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Outros

409 0.08 1.00 1.00 0.045 0.045 10.50 11.75

Ti>=6xC Ti 0.75

máx

429 0.12 1.00 1.00 0.040 0.030 14.00 16.00

430 0.12 1.00 1.00 0.040 0.030 16.00 18.00

Propriedades mecânicas de alguns aços ferríticos:

Tipo de

Aço ABN

T

Estado

Resistência à

tração N/mm2

Limite de escoame

nto à 0,2%

N/mm2

Alongamento em

50,8 mm percentual

Durez

a Rockw

ell

Dobramento livre

Limite de

resistência à

fadiga N/mm2

e <= 0,38 mm

0,38 < e <

0,76 mm

e >= 0,76 mm

Angulo* Fator(1)

430 recozido

525,0 350,0 25 - - B 85 180- -



446 recozido

560,0 350, 20 - - B 83 -

502 recozido

490,0 - 30 - - B 75 180 -

Figura 21 -Aço Inoxidável.ferrítico com Nb; aumento 100X

Duplex

São ligas bifásicas baseadas no sistema Fe-Cr-Ni. Estes aços possuem, aproximadamente, a mesma proporção das fases ferrita e austenita e são caracterizados pelo seu baixo teor de carbono (<0,03%) e por adições de molibdênio, nitrogênio, tungstênio e cobre. Os teores típicos de cromo e níquel variam entre 20 e 30% e 5 e 8%, respectivamente. A vantagem dos aços duplex sobre os austeníticos da série 300 e sobre os ferríticos, são a resistência mecânica (aproximadamente o dobro), maiores tenacidade e ductilidade (em relação aos ferríticos) e uma maior resistência a corrosão por cloretos.



Figura 22 -Aço Inoxidável.Duplex; Aumento 500X

Endurecíveis por precipitação

São ligas cromo-níquel que podem ser endurecidas por tratamento de envelhecimento. Podem ser austeníticos, semi-austeníticos ou martensíticos, sendo que a classificação é feita de acordo com a sua microestrutura na condição recozida. Para viabilizar a reação de envelhecimento, muitas vezes se utiliza o trabalho a frio, e a adição de elementos de liga como alumínio, titânio, nióbio e cobre.

Sistema de classificação

Os aços inoxidáveis são normalmente designados pelos sistemas de numeração da AISI (American Iron and Steel Institute), UNS (Unified Numbering System) ou por designação própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o mais utilizado. Nele, a maioria dos graus de aços inoxidáveis possuem uma classificação com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que a série 400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos. A série UNS, por sua vez, possui um maior número de ligas que a AISI, pois incorpora todos os aços inoxidáveis de desenvolvimento mais recente. Nesta série, os aços inoxidáveis são representados pela letra S, seguida de cinco números. Os três primeiros representando a numeração AISI (se tiverem). Os dois últimos algarismos serão 00 se o aço for um aço comum da designação AISI. Se forem diferentes, significa que o aço tem alguma característica especial reconhecida pela UNS.



FERROS FUNDIDOS



Abaixo segue a microestrutura típica dos principais ferros fundidos:

Ferro Fundido Cinzento perlitico: veios de

grafita sobre uma matriz perlitica.

Ferro fundido Branco- 500 X.



Ferro Fundido Nodular- 200 X Ferro Fundido Masclado- 200 X

Ferro Fundido Martensitico- 100 X Ferro Fundido Hipoeutetico- 100 X



TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS



Os métodos utilizados para avaliar a temperabilidade não serão abordados

nesse texto uma vez que não é objetivo do curso em questão.



REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING, An Introduction William D.

Callister, Jr. John Wiley & Sons, 1991.

2. Ciência dos Materiais- Castelan

3. Aços e Ferros Fundidos- Vicente Chiaverine.

4. Aços e ligas especiais - Costa e Silva.

5. Apostila de Laboratório de Ensaios Mecânicos e Materiais -URI- Campus de

Santo Ângelo.

6. Introdução à engenharia metalúrgica Nestor Cezar Heck / UFRGS – DEMET.

apostila curso mecanico - metalografia

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