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AULA 3 AULA 3 Aços 1. Classificação e seleção dos aços 2. Aços comuns 3. Aços-liga 4. Aços inoxidáveis Materiais para Construção Mecânica

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AULA 3AULA 3

Aços1. Classificação e seleção dos aços

2. Aços comuns

3. Aços-liga

4. Aços inoxidáveis

Materiais para Construção Mecânica

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Materiais para Construção Mecânica

DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Ferros

Família dos aços

Família dos ferros fundidos

Soluções sólidas:Ferro Austenita Ferrita

Composto estequiométrico:

Cementita Fe3C

Reações: peritética

eutética

eutetóide

Diagrama Fe-C

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Materiais para Construção Mecânica

DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

fofosaçosFe

Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso

OBSERVAÇÕES

Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos

Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês

Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em concentrações específicas

As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta:

Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para teores mais elevados

A dureza aumenta continuamente

Diminui a ductilidade

Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro

É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao carbono

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% em peso de carbono

OBSERVAÇÕESProdutos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos

A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono

Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de produção é menor

Em geral, os ferros fundidos são

frágeis, que só resistem bem à compressão

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina

Fe - CCC

Fe - CCC

Fe - CFC

Fe - líquido

910°C

1400°C

1540°C

Eixo esquerdo do diagrama:

Ferrita ou ferro-: estável na temp. ambiente

estrutura CCC

Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C

estrutura CFC

Ferro-: estável entre 1400°C e 1540°C

estrutura CCC

Transformação polimórfica do ferro

Cementita ou Carbeto de Ferro

Composto intermetálico estequiométrico

Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C

Eixo direito do diagrama:

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe CCarbono impureza intersticial

forma solução sólida com o ferro

Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC

Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC

Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

Soluções sólidas

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC

É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica

Ferro - (austenita): solução sólida de C no Fe CFC

Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C

Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil

Ferro - (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC

Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C

Material mole e dúctil

Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência é inferior a 32Kgf/mm2

Características das Soluções sólidas

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

6,67

Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C

a 727°C

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita lamelar.

Reação eutetóide: 0,77%C 0,02%C + Fe3C 6,67%C

PERLITA

PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita relativamente finas

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

Aspecto micrográfico de um ferro comercialmente puro. Ataque: reativo de água régia. 200X

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3% de carbono. Ataque: reativo de nital. 200X

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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C

Materiais para Construção Mecânica Diagrama Fe-C

Aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide resfriado lentamente. Ataque: reativo de picral. 200X

A cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede.

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação dos aços

Critérios:

a) Quanto à composição química

b) Quanto à aplicação

c) Quanto à microestrutura

d) Quanto ao processo de fabricação

e) Quanto as marcas registradas

f) Quanto as normas técnicas

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

- aços comuns (ao carbono)

- aços especiais (ligas)

Aços ao Carbono – propriedades – %C

- não contem quantidade apreciável de elemento de liga

- apresentam teores de impurezas – normais:

P – 0,04% (max) S – 0,05% (max)

Si – 0,10% e 0,35% Mn – 0,25% e 0,90%

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

Aços ao Carbono

- Quanto ao teor de Carbono:

- até 0,15% C – extra doce

- 0,15% a 0,30% C – doce

- 0,15% a 0,30% C – meio doce

- 0,15% a 0,30% C – meio duro

- 0,70% a 0,80% C – duro

- acima de 0,80% C – extra duro

baixo carbono

médio carbono

alto carbono

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

Aços especiais (ligas) – contem um ou mais elementos de liga (além de Fe e C)

- quantidades de elementos de liga – modificam ou melhoram substancialmente uma ou mais propriedades (físicas, mecânicas ou químicas)

- Quanto ao teor de elementos de liga:

- aços baixa liga – somatório dos elementos de liga (teores) é inferior a 5%

- aços alta liga - somatório dos elementos de liga (teores) é superior a 5%

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

Aços especiais (ligas)

Objetivos dos elementos de liga:

- aços baixa liga

1) Aumentar a dureza e a resistência mecânica

2) Conferir resistência uniforme em toda a seção da peça de grandes dimensões

3) Diminuir o peso (consequencia do aumento de resistência)

- aplicações típicas: aços de construção

- elementos de liga: Ni, Cr, V, Mo, Si e Mn

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

Aços especiais (ligas) –

Objetivos dos elementos de liga:

- aços alta liga

1) Conferir resistência à corrosão

2) Aumentar a resistência ao desgaste

3) Aumentar a resistência ao calor

4) Melhorar propriedades elétricas e magnéticas

- aplicações típicas: ferramentas, matrizes, presença de corrosão e calor

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à composição química:

- aços alta liga

Compreendem:

- aços rápidos e similares (ex. aços para matrizes)

-requisito – dureza e manutenção desta em elevadas temperaturas

- W – 0,10% a 25%; Cr, Co e C alto

- aços resistentes à corrosão e ao calor

- requisito – resistir à formação da camada de óxido em temp. amb ou elevada

- Cr – 10 a 35%; Ni

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à aplicação:

- aços de construção

- componentes industriais

- laminados à quente ou forjados (s/TT) – estruturas metálicas e peças em geral

- c/TT em aços C – aços de elevada RM, aços para cementação e nitretação, aços para molas

- aços para ferramentas e matrizes

- compreendem: - aços ao C temperáveis em H2O

- aços resistentes ao choque

- aços para trabalho à frio e à quente

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à aplicação:

- aços inoxidáveis e resistentes ao calor

aços inoxidáveis

aços refratários – resistência à fluência a quente

- aços com características especiais

- aços para imãs permanentes

- aços para núcleos de transformadores

- aços com coeficiente de dilatação definido

martensíticos

ferríticos

austeníticos

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto à microestrutura:

- ferríticos: não endurecíveis

- perlíticos: baixa liga; podem ter ferrita ou cementita

- austeníticos: 20% a 30% elementos de liga (Cr, Ni ou Mn),

alta estabilidade da austenita

- martensíticos: elementos de liga deslocam a curva TTT para

a direita

- cementíticos: alto teor de C, resultando alto teor de

carbonetos

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto ao processo de fabricação:

- Aços Bessemer

- aços LD

- aços elétricos

- etc

Aços alta liga e alta qualidade – obtidos em fornos elétricos

Aços de conversores – qualidade inferior

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a marca registrada:

são classificados com a identificação do fabricante e com

codificação peculir a cada fabricante em particular

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

ABNT – norma brasileira

SAE - AISI – normas americanas

DIN - norma alemã

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

ABNT – norma brasileira

- NBR 6006 – classifica as aços-carbono e aços de baixo teor

de liga – critérios adotados pela AISI e SAE

Aços-carbono: %Si e %Mn não ultrapassam 0,6%Si e 1,65%Mn

Também são considerados os teores:

Max 0,1% Al, mín 0,0005%B, max 0,3%Cu ou mx 0,35%Pb

Se adicionados elementos como Se, Te, Bi (melhoram

usinabilidade) e Nb ainda são aços-carbono.

Aços-liga: possuem outros elementos de liga

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

SAE – Society of Automotive Engineers

AISI – American Iron and Steel Institute

UNS – Unifield Numbering System

Letras XX ou XXX – cifras indicadoras dos teores de carbono

Ex.: classe 1023 – AISI-SAE – aço carbono com 0,23% C

G10230 – UNS – mesmo teor de carbono

Designações coincidem

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos

de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como

principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro

elemento de liga, como Ni e Cr, além do C.

10 – aço ao carbono

11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre

40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

dois primeiros algarismos: diferenciam os vários tipos

de aços entre si, pela presença ou somente de Carbono como

principal elemento de liga (além das impurezas) ou de outro

elemento de liga, como Ni e Cr, além do C.

10 – aço ao carbono

11 – aços de fácil usinagem com alto enxofre

40 – aços ao molibdênio, com 0,25% de Mo em média

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

SAE-AISI

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

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Materiais para Construção Mecânica Classificação dos aços

Classificação quanto a Normas Técnicas:

DIN

Critérios diferenciados:

DIN 17100 – “aços para construção em geral” –

Ex.: em função do limite de resistência à tração:

St 42 – aço com limite de resist. à tração entre 42 e 50 kgf/mm2

St 60 – limite de resistência à tração entre 60 e 72 kgf/mm2

DIN 17200 – classificação de acordo com a composição química

C35 – aço-carbono com 0,35% C

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Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga

Distribuição dos elementos de liga em aços ligados

modo de distribuição: tendência de cada elemento em formar

compostos e carbonetos

Ni – dissolve-se na ferrita do aço – tem menor tendência em

formar carbonetos do que o ferro

Si – combina-se em pequena quantidade com o oxigênio

presente no aço – forma inclusões não metálicas

de modo geral, dissolve-se na ferrita

Mn – a maior parte dissolve-se na ferrita; alguma quantidade

pode formar carbonetos e e entrar usualmente na cementita

formando (Fe, Mn)3C

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Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga

Distribuição dos elementos de liga em aços ligados

Cr – tem maior tendência em formar carbonetos do que o ferro;

distribui-se entre as fases ferrita e carbonetos

depende da quantidade de carbono e ausência de elementos

formadores de carbonetos como Ti e Nb

W e Mo – combinam-se com o carbono, formando carbonetos se

quantidade de carbono for suficiente e se não estiverem

presentes elementos como Ti e Nb

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Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga

Distribuição dos elementos de liga em aços ligados

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Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga

Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços

Elementos de liga podem provocar aumento ou diminuição da temperatura eutetóide do diagrama Fe-C

Mn e Ni – biaxam a temperatura – elementos estabilizadores da austenita

W, Mo e Ti – aumentam a temperatura – reduzem o domínio austenítico

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Materiais para Construção Mecânica Elementos de liga

Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide dos aços

Efeito de 6% de manganês na porção eutetóide de um diagrama de fases Fe - Fe3C

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Materiais para Construção Mecânica

Aços InoxidáveisCorrosão – ataque gradual e contínuo de um metal pelo meio circunvizinho que pode ser

atmosfera mais ou menos contaminada das cidades

atmosferas contaminadas de cloretos em regiões próximas ao mar

meio químico qualquer, líquido ou gasoso

É uma tendência à reversão a formas mais estáveis como se encontram na natureza (minérios)

Praticamente todos os ambientes são corrosivos, em maior ou menor grau:

- água - solo - gases - solos

Efeitos da corrosão

- má aparência

- altos custos de operação e manutenção

- colapso de peças ou instalações

- perdas de produtos de explosão

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Velocidade de corrosão típicas em diversos aços em águas tropicais

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Guia de prevenção de

corrosão de aços-carbono

em alguns ambientes

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Passividade dos aços-cromo expostos durante 10 anos a uma atmosfera industrial

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Efeito do cromo na resistência dos aços à oxidação a altas temperaturas – Curva: penetração da oxidação em cubos de ½” aquecidos durante 48h a 1000ºC ao ar.

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Efeito do teor de carbono sobre a corrosão de aço inoxidável 18-8 tratado termicamente de modo a produzir a máxima precipitação de carbonetos

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Corrosão nas ligas ferrosas – maior importância

Passividade – propriedade típica de certos metais e ligas em permanecerem

inalterados no meio circunvizinho

Admite-se que é resultado da formação de uma camada de óxido quando o metal é

exposto ao meio agressivo

Pode-se tornar um aço passivo com a adição de elementos, principalmente o Cr

- camada de óxido de cromo de espessura inferior a 0,02m confere res. à corrosão

- aços tornados passivos pela adição Cr – aços inoxidáveis

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

PASSIVIDADE depende:

1. Composição química

2. Condições de oxidação

3. Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting)

4. Susceptibiliade à corrosão intergranular

Composição química:

Cr – elemento mais importante

10% para atingir a passividade

20% a 30% - passividade completa

Ni – melhora a resistência à corrosão em soluções neutras de cloretos ou ácidos pouco oxidantes

- melhora propriedades mecânicas

- teores mínimos: 6% a 7%

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Composição química:

Cu, Mo, Si – conferem resistência à temperaturas elevadas

Ti, Nb – para evitar corrosão intergranular

Condições de oxidação

A velocidade de ataque depende da capacidade oxidante do meio

- meios oxidantes – tornam a liga passiva

- meios redutores – destroem a liga

Aços inoxidáveis: suportam bem o HNO3 são atacados pelo HCl e HF

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Susceptibilidade à corrosão localizada (pitting):

São sujeitos a corrosão em pontos que, uma vez iniciada, progride em profundidade, chegando a causar orifícios que podem perfurar o metal

- causada pelo íon Cl-

- aço inoxidável – atacado por HCl, cloretos (Fe, Cu, metais alcalinos, metais alcalinos terrosos) ou até atmosfera salina

Proteção:

- adição de Mo

- bom acabamento superficial

- passivação em HNO3 – 20% à quente

- tratamenro térmico correto

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Susceptibilidade à corrosão intergranular:

- aços inoxidáveis austeníticos – aquecidos entre 400ºC a 900ºC, (mesmo por segundos):

podem apresentar precipitação de carbonetos de Cr nas regiões do contorno de grão

- regiões adjacentes – empobrecidas em Cr – sensitizado

- material sensitizado – sujeito à corrosão intergranular

Proteção:

- Reaquecimento a 950-1150ºC c/ resfriamento rápido – redissolução dos carbonetos

- Teor de C inferior a 0,03% (torna-se ineficaz na formação dos carbonetos)

- Aços estabilizados com Ti ou Nb – maior afinidade com o C

Provoca a desintegração total da peça após exposição em

solução corrosiva

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Outros fatores

- Condição da superfície

- fissuras

- fenômeno de natureza galvânica

- corrosão sob tensão

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

Classificação dos aços inoxidáveis

– Microestrutura à temperatura ambiente

i) Martensíticos – endurecíveis – Fe, C e Cr

ii) Ferríticos – não endurecíveis – Fe, C e Cr

iii) Austeníticos – não endurecíveis – Fe, C, Cr e Ni

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

MARTENSÍTICOS

Cr – 11,5% a 18%

Tornam-se martensíticos e endurecem por têmpera

Características:

- Ferromagnéticos

- Trabalháveis à frio e a quente

- Não sofrem corrosão intergranular

- Resistência moderada à corrosão (aumenta o %C, deve-se aumentar %Cr)

- Alta dureza e resistência à quente

- Têmpera melhora a resistência à corrosão – evita precipitação por carbonetos

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços InoxidáveisAços inoxidáveis martensíticos

Tipos de aços:

1) Tipo turbina: até 0,2%C

boas prop. Mecânicas e resis. à corrosão relativamente elevada

SAE ou AISI – 403, 410, 416, 431

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços InoxidáveisAços inoxidáveis martensíticos

Tipos de aços:

2) Tipo cutelaria: 0,2% a 0,6%C

dureza satisfatória e razoável ductilidade

SAE ou AISI – 420, 420F

3) Tipo resistente ao desgaste: %C > 0,6%

alta dureza e ductilidade reduzida

SAE ou AISI – 440A, 440B, 440C

Exemplos de Aplicações:

- Lâminas de turbina e compressor - Eixos de bombas

- Parafusos, buchas, válvulas, porcas - peças p/aviões e indústria

laticínios

- instrumentos cirúrgicos e dentários - mancais de esfera

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Materiais para Construção Mecânica

Aços InoxidáveisFERRÍTICOS

Cr – 11% a 27%

%C < 0,35%

- Estrutura inteiramente ferrítica para qualquer velocidade de resfriamento

- Não ocorrem mudanças de fases – formação grãos grosseiros – refino grão deformação à quente (raramente possível)

- Adição de Ti – diminui essa tendência

- Melhor resistência à corrosão entre os aços-Cr

Características:

- Ferromagnéticos

- Trabalháveis à frio e a quente

- Resistência à corrosão sob tensão e atmosférica

- Boa soldabilidade

- Baixa dureza

- Baixa resistência ao choque

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços InoxidáveisAços inoxidáveis ferríticos

Tipos de aços:

SAE ou AISI – 406, 409, 430, 442, 443, 446

Aplicações:

- Tubos de radiadores - caldeiras - sistemas de exaustão de automóveis

- equipamentos p/indústria química e cozinha - partes de fornos e

queimadores

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Materiais para Construção Mecânica

Aços Inoxidáveis

AUSTENÍTICOS

Cr – 16% a 26% Ni – 6% a 22%

Características:

- Não magnéticos

- Não endurecíveis (austeníticos)

- Dureza – aumentada por encruamento (instabilidade austenita e tensões de encruamento

- Reaquecimento do aço em temperaturas moderadas restaura a austenita

- Susceptíveis corrosão intergranular (Ti e Nb – evitar a corrosão)

- Resistência à corrosão superior

- AUSTENITIZAÇÃO – aquec. ~1000º - 1200ºC – resfriamento rápido à temp. amb.

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços InoxidáveisAços inoxidáveis austeníticos

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços InoxidáveisAços inoxidáveis austeníticos (cont.)

Tipos de aços:

SAE ou AISI – 301, 302, 304, 321, 347, 316, 317, 309, 310

Aplicações:

- ornamentação - utensílios domésticos - equip. p/indústria química

- equip. p/indústria de alimentos - implantes cirúrgicos

- eletrodos de solda - peças de forno e estufa

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Aspecto micrográfico de aço inoxidável austenítico tipo 18-8, mostrnado zona superficial de

corrosão intergranular. Sem ataque. 100x.

Núcleo não corroído do mesmo aço. Verifica-se estrutura normal de aço

inoxidável austenítico. Ataque: percloreto de ferro. 100X.

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Materiais para Construção Mecânica Aços inoxidáveis

Aços Inoxidáveis

Seleção de ligas inoxidáveis de alta tecnologia

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Engenharia de MateriaisEngenharia de Materiais

Degradação dos Materiais em Degradação dos Materiais em

UsoUso

Caio Marques – abril de 2010Caio Marques – abril de 2010

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6-1 Introdução6-1 Introdução

6-2 Corrosão e Oxidação 6-2 Corrosão e Oxidação

6-3 Desgaste6-3 Desgaste

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

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6.1 INTRODUÇÃO6.1 INTRODUÇÃO

Categorias dos materiais metal, cerâmico e polímero

aplicação

devido ao tipo de propriedades definidas na estrutura

Uso degradação ou colapso dos materiais

selecionar o melhor material para determinada aplicação,que suporte maiores esforços mecânicos e interação com o meio

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

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6.1 INTRODUÇÃO6.1 INTRODUÇÃO

Ação do meio sobre o material:CORROSÃO – ATAQUE ELETROQUÍMICOOXIDAÇÃO – ATAQUE QUÍMICODESGASTE – ATAQUE FÍSICO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

Isto ocorre porque nenhum material é totalmente inerte a qualquer ambiente. Conseqüência: degradação do material

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

Oxidação reação química direta entre metal e oxigênio da atmosfera (também N, S, etc.): pode limitar a aplicação do material

Óxido sobre o metal: 1. protege

2. facilita a oxidação contínua

Estabilidade: óxidos metálicos têm maior estabilidade (maior energia de ligação ponto de fusão mais elevado) em relação ao metal puro

Exemplo: PF do Al 660°C PF do Al2O3 2054°C

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque químico da atmosfera

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

Existem 4 mecanismos possíveis na oxidação de metais:

A. Formação de um óxido poroso, não protetor;

B. Filme não poroso: o cátion difunde-se pelo filme e reage com o oxigênio na interface óxido-meio;

C. Filme não poroso: íons O-2 reage na interface metal-óxido;

D. Filme não poroso onde cátions e ânions se difundem simultaneamente, quase a mesma taxa, e reagindo dentro da camada

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

TAXA DE OXIDAÇÃO

A. Filme não protetor: filme de óxido poroso através do qual o O2 pode passar continuamente e reagir na interface metal-óxido: crescimento do filme à taxa constate

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

dy = C1

dty = C1t + C2

onde:

C2 = y para t = 0

CRESCIMENTO LINEAR DA TAXA

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

B-C-D. Um filme não poroso através do qual os íons se difundem de forma a reagir com o oxigênio na face externa (óxido-meio) ou no interior ou na interface óxido-metal: razão de crescimento da camada diminui com o crescimento da espessura do filme óxido

LEI DE FICK

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

dy = C3 1dt y

y2 = C4t + C5

onde:

C5 = y2 para t = 0

TAXA DE CRESCIMENTO PARABÓLICA, COM CAMADA DENSA E UNIFORME

Depende da difusão

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

Comparação entre o crescimento linear e o parabólico

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

NÃO PROTETOR

PODE SER PROTETOR

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

Como saber se um metal forma uma camada protetora de óxido?

LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH

descreve a tendência de um metal formar ou não uma camada protetora

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

R = M . d a . m . D

onde:M = massa do óxidoD = densidade do óxidom = massa do metald = densidade do metala = n° de átomos do metal

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

R = M . d a . m . D

R < 1 o volume de óxido tende a ser insuficiente para cobrir o substrato metálico, tendendo a formar um substrato poroso e não protetor

R > 2 espalhamento do óxido deixando a superfície porosa, formando uma camada não protetora

1 < R < 2 pode ser criada uma camada protetora

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

LEI DE PILLING-BEDWORTHLEI DE PILLING-BEDWORTH

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.1 Oxidação - Ataque Direto da Atmosfera

Óxidos protetores Óxidos não-protetores

Be - 1,59 Li 0,57Cu - 1,68 Na - 0,57Al - 1,28 K - 0,45Si - 2,27 Ag - 1,59Cr - 1,99 Cd - 1,21Mn - 1,79 Ti - 1,95Fe - 1,77 Mo - 3,40Co - 1,99 Hf - 2,61Ni - 1,52 Sb - 2,35Pd - 1,60 W - 3,40Pb - 1,40 Ta - 2,33Ce - 1,16 U - 3,05

Razão de Pilling-Bedworth para vários metais

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico

Força motriz

concentração de íons na solução

Reação anódica

Fe° Fe2+ + 2e-

Reação catódica

Fe2+ + 2e- Fe°

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico

Rotação de um disco de latão (liga CuZn) em uma solução aquosa contendo íons de Cu+2, produzindo um gradiente na concentração iônica

próxima a superfície.

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.2 Corrosão aquosa - Ataque eletroquímico

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Força motriz

diferente tendência que estes metais têm de se ionizar

Quanto menor o potencial de redução mais ativo é o metal, e

mais anódico

sujeito à corrosão

Menos ativomais nobremais catódico

Mais ativomenos nobremais anódico

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais

Equilíbrio Potencial de eletrodoMetal - metal vs eletrodo de H a 25°C (V)

Au - Au3+ +1.498 Pt - Pt2+ +1.2 Pd - Pd2+ +0.987 Ag - Ag+ +0.799 H2 - H+ 0.000 Al - Al3+ -1.662 Mg - Mg2+ -2.363 Na - Na+ -2.174 K - K+ -2.925

Menos ativomais nobremais catódico

Mais ativomenos nobremais anódico

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais Pode ocorrer em meio aquoso diferenciado, por exemplo água do mar, e além disso, entre ligas metálicas diferentes.

Nobre oucatódico

Ativo ou anódico

Série galvânica da água do marPlatinaGrafitePrataInconel(passivo) (80 Ni, 13 Cr, 7 Fe)Níquel (passivo)EstanhoChumboSolda chumbo estanhoLigas de magnésio

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.3 Corrosão galvânica de dois metais

Parafuso de aço em uma placa de latão criando uma célula galvânica

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.4 Corrosão por redução gasosaDuas moléculas de água são consumidas por 4 e- no circuito externo para reduzir a molécula de oxigênio para 4 íons OH.

Fe do cátodo é fonte de elétrons

Reação anódica

O2 + 2H2O +4e- 4 OH-

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.4 Corrosão por redução gasosa

Vários exemplos práticos de corrosão devido a concentração de oxigênio na célula

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão

Regiões de alta tensão são anódicas em relação a regiões de baixa tensão

Logo, um estado de mais alta energia de um metal

tensionado em relação ao de menor energia induz a uma

barreira de ionização

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.5 Efeito da tensão mecânica sobre a corrosão Exemplo: prego dobrado, ou devido a

própria fabricação de um prego, observa-se zonas tensionadas, sujeitas à corrosão

Em uma microestrutura os contornos de grão são regiões de mais alta energia, logo são mais susceptíveis para acelerar o ataque à corrosão e

desenvolvê-la

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.6 Prevenção contra à corrosão1. Selecionar os materiais de acordo com sua aplicação

p. ex.: para não formar um par galvânico

2. O projeto deve ser executado de forma que não ocorram regiões tensionadas, mais propícias à corrrosão

3. Utilizar revestimentos protetores, modificando a superfície do material. Os revestimentos podem ser:

- metálicos: ex. cromagem, zincagem - cerâmicos: ex. esmaltação, aspersão térmica - polímeros: ex. pintura com base polimérica

4. Pode-se ainda utilizar como método de prevenção à corrosão:- ânodo de sacrifício- corrente imposta (impressa)- aço inox com cromo

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.6 Prevenção contra à corrosão3. Exemplos de utilização de revestimentos protetores

(a) aço galvanizado consiste de um revestimento de zinco sobre o substrato de aço

(b) contraste: um revestimento mais nobre como placas de estanho é protegida pelo aço.

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.6 Prevenção contra à corrosãoÂNODO DE SACRIFÍCIO

Exemplo: em navios, onde placas de Zn ou Mg oxidam e protegem o metal

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6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.6 Prevenção contra à corrosãoCORRENTE IMPOSTAPara não haver migração de elétrons no sentido normal da reação

Corrosão externa de fundos de tanques de armazenamento de óleo cru e derivados: aplicação da proteção catódica ao fundo externo apresenta certas limitações. Uma forma de viabilizar a proteção catódica externa de tanques sobre concreto armado é a utilização de fundo duplo que consiste na colocação de um novo fundo metálico a uma distância pré-determinada do fundo original no qual são dispostos os anodos. proteção catódica por corrente impressa, sendo o fundo original isolado eletricamente do fundo novo e do costado, e o espaçamento entre os dois fundos preenchido com areia lavada.

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CERÂMICOS

- não tem e- livres difícil par galvânico

- são mais estáveis no meio

- susceptível à corrosão devido a H2O na fadiga estática

- corrosão à quente em cerâmicos termocorrosão (materiais refratários)

6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros

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POLÍMEROS

Degradam em presença de O2 e com ultravioleta

enfraquecimento e quebra das grandes cadeias (moléculas)

Exemplo: borracha não vulcanizada (corrosão por solventes orgânicos)

6.2 CORROSÃO E OXIDAÇÃO

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

6.2.7 Degradação química de Cerâmicos e Polímeros

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Segundo os fenômenos de desgaste do material, pode-se classificá-lo como:

ABRASIVO

ADESIVO

EROSÃO

CAVITAÇÃO

6.4 DESGASTE

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

Desgaste não depende somente da partícula que está desgastando mas também da superfície desgastada e do meio:

SISTEMA TRIBOLÓGICO

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ABRASIVO

Superfície dura sobre uma mais mole, ocorrendo a perda de material desta segunda superfície.

Ex.: Usinagem

6.4 DESGASTE

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

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ADESIVO

Duas superfícies de contato deslizando uma sobre a outra, resultando no arrancamento de partículas

V = k P x 3 H

V = volume de material desgastadok = coeficiente de atrito entre superfíciesx = distância de deslocamento relativoP = cargaH = dureza da superfície atacada

6.4 DESGASTE6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

Deslizamento de um disco de cobre contra um pino de aço 1020

produzindo partículas desgastadas irregulares

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EROSÃO

Jato de partículas sobre uma superfície

Ex.: jato de areia Depende de inúmeras variáveis:

ângulo de ataque

velocidade das partículas

dureza

6.4 DESGASTE

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO

Variação da erosão com o ângulo de impacto para o alumínio e a alumina erodidos por partículas de carbeto de silício, demonstrando o comportamento característico de materiais dúcteis e frágeis.

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CAVITAÇÃO

Colapso de bolhas causa desgaste e a superfície fica com aspecto polida, porém côncava.

Ex.: desgaste interno de dutos

6.4 DESGASTE

6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO6. DEGRADAÇÃO DOS MATERIAIS EM USO