Ciência dos materiaisAula 8

Profª Mª Patrícia Cristina Costa Ladeira

patricialadeira@aedu.com

patricia.ladeira@yahoo.com.br

Materiais metálicos e ligas

• Ferrosos• Materiais e ligas que possuem o Fe como principal

constituinte (elemento majoritário)

• Não ferrosos• Materiais e ligas em que o Fe não é o elemento

principal

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Materiais ferrosos

• Produzidos em maior quantidade• Disponibilidade de matéria-prima

• Facilidade de conformação

• Viabilidade econômica

• Versatilidade

• Desvantagens• Alta densidade

• Suscetibilidade à corrosão

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Materiais ferrosos

• Principal elemento de liga é o C• Aços – até 2,14 %p de C

• Ferro fundido – acima de 2,14 %p de C

• Aços• Podem ter outros elementos de liga: W, Ni, Cr, Co,

Mo etc para melhorar propriedades

• Propriedades dependem do teor de C (maior teor de C, mais duro e menor dúctil)

• Baixo carbono – até 0,25 %p de C

• Médio carbono – 0,25 a 0,6 %p de C

• Alto carbono – acima de 0,6 %p de C

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Código dos aços

• Códigos segundo ASTM, AISI e SAE

• AISI/SAE• Número de 4 dígitos, dois primeiros dizem o tipo da liga

e os dois últimos é a concentração de C vezes 100

• Ex: 1010 – aço carbono com 0,10 %p de C

• Especificação UNS (United numbering system)• Ligas ferrosas e não ferrosas

• Cada família é representada por uma letra + número ASTM + 0

• Ex: aço 1020 ASTM/AISI = aço G10200

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Aço baixo carbono

• Mais produzido

• Resistência• Não pode ser aumentada com tratamentos térmicos

• Pode ser aumentada com trabalho a frio

• Microestrutura• Ferrita e Perlita

• Macios, pouco resistentes, dúcteis, maleáveis e tenazes

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Aço baixo carbono

• Podem ser soldados e usinados

• São baratos de se produzir

• Aplicações• Construção de edifícios

• Pontes

• Perfis estruturais

• Carcaças

• Componentes automotivos, etc

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Aço baixo carbono 8

Aços de alta resistência e baixa liga

• HSLA ou ARBL

• Elementos de liga comuns: Cu, V, Ni, W, Cr, Moetc

• Respondem à tratamento térmico para aumento de resistência

• Maior resistência à corrosão

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Aços de alta resistência e baixa liga

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Aços médio carbono

• Mais resistentes e menos dúcteis que os de baixo carbono

• Baixa temperabilidade• Possível realizar tratamento em peças finas e com alta

taxa de resfriamento

• Elementos de liga melhoram essa propriedades (Ni, Cr, Mo)

• Aplicações• Vias e rodas férreas

• Componentes estruturais de alta resistência

• Engrenagens e virabrequins

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Aço alto carbono

• Mais resistentes e duros

• Pouco dúcteis

• Aplicados endurecidos ou revenidos

• Resistentes ao desgaste

• Forma carbonetos duros e resistentes com elementos como Cr, V, Mo, W

• Aplicações• Facas,

• Lâminas de barbear,

• Lâminas de serra etc

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Aço inoxidável

• Pelo menos 11%p de Cr

• Três classes• Ferríticos: Fe-Cr-C com 12-14%p de Cr e pequenas

quantidades de outros elementos (Mo, V, Nb, Ni)

• Austeníticos: 18%p de Cr e 8%p de Ni

• Martensíticos: temperados para obter martensita

• Aplicações• Exaustão automotiva

• Câmaras de combustão

• Construções com solda, etc

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Ferros fundidos

• Mais que 2,14%p de C

• Na prática: 3 a 4,5%p de C

• Fundem à temperatura mais baixa que os aços

• Fe3C (cementita)• Fase metaestável, dura e quebradiça

• Presente nos ferros fundidos e em condições de formar ferrita e grafita

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Ferros fundidos

• Tendência a formar grafita depende da composição e taxa de resfriamentos

• Dependendo da forma que o C está presente, podem ser classificados em:• Cinzento

• Nodular

• Vermicular

• Branco

• Maleável

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Ferros fundidos

• Ferro cinzento• Grafita em floco envolvida por ferrita ou perlita

• Superfície fraturada acinzentada por causa da grafita

• Boas propriedades de amortecimento

• Aplicações: estrutura de base, cama para máquina pesada etc

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Ferros fundidos

• Ferro nodular• Adição de Mg e Ce aos ferro cinzento na fundição

• Forma microestrutura e grafita esferoidal

• Aplicações: corpos de bomba, eixos de manivela, componentes automotivos

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Ferros fundidos

• Ferro branco• Silício menor que 1%

• Resfriamento rápido impede a cementita de se decompor

• Superfície de fratura esbranquiçada

• Aplicações: cilindros de laminação

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Ferros fundidos

• Ferro maleável• Ferro fundido branco tratado a 800-900 ºC por horas

• Resfriamento à temperatura ambiente

• Formação de grafita aglomerada envolvida por ferritaou perlita

• Aplicações: estrada de ferro, e serviços pesados

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Ferros fundidos

• Ferro vermicular• Grafita na forma de vermes em matriz perlítica ou

ferrítica/perlítica

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Ligas não ferrosas

• Ligas que não possuem ferro como elementoprincipal na sua composição

• São fabricados com facilidade e de formaeconômica

• Os materiais de alumínio e cobre se destacam

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Ligas de alumínio

• Baixa densidade

• Altas condutividade térmica e elétrica

• Boa resistência à corrosão

• Aplicações:• Latas de bebida

• Peças automotivas

• Carrocerias

• Estrutura de aeronaves

• Podem ter resistência aumentada por precipitação, trabalho a frio ou solução sólida

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Ligas de cobre

• Boa resistência a corrosão em diferentes ambientes

• Podem ser reforçadas com trabalho a frio ou solução sólida

• Latão (Cu e Zn) e bronze (Cu e Sn) são exemplos de ligas de cobre

• Aplicações:

• Bijuterias

• Moedas

• Instrumentos musicais

• Eletrônicos

• Molas, etc

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Processamentos

• São determinados de acordo com alguns aspectos:• Propriedades dos metais

• Tamanho e forma acabada

• Custo

• Podemos usar técnicas de conformação, fundição, mineralogia do pó e soldagem

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Fabricação de metais

Conformação

• Forjamento

• Laminação

• Extrusão

• Trefilação

Fundição

• Areia

• Matriz

• Precisão

• Espumaperdida

• Contínua

Técnicas diversas

• Metalurgiado pó

• Soldagem

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Conformação

• Na conformação a forma das peças é alterada por meio de deformações plásticas

• A alteração se dá pela aplicação de tensões externas acima do limite de escoamento

• Os trabalhos de deformação podem ser a quente ou a frio• Trabalho a quente: quando realizado em temperaturas acima

da faixa de recristalização. Tem como desvantagens a perda de material por oxidação e acabamento de má qualidade, porém, apresenta manutenção da maciez e ductilidade dos materiais

• Trabalho a frio: realizado em temperaturas abaixo da faixa de recristalização. Trabalhos a frio causam encruamento, aumentando a resistência e diminuindo a ductilidade dos materiais, porém, possui melhor acabamento q melhor controle das dimensões finais das peças

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Forjamento

• Deformação de uma únicapeça

• Geralmente à quente

• Aplicação de golpessucessivos ou compressãocontínua

• Pode ser de matriz aberta oufechada

• Materiais forjados possuemgrãos excepcionais e a melhorcombinação de propriedadesmecânicas

• Aplicada em chaves,virabrequins, barras deconexão de pistões

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Laminação

• Processo maisamplamente utilizado

• Peças metálicas sãopassadas entre doiscilindros

• A redução da espessurase dá pela aplicação dastensões de compressãosobre a peça

• A laminação à frio éaplicada para fabricaçãode chapas, folhas finas,tiras

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Extrusão

• Uma barra é forçadaatravés de um orifíciopor força decompressão aplicadacom um êmbolo

• A peça extrudadapossui a formadesejada e seçãotransversal reduzida

• Podem ser produzidostubos, barras comgeometria complexa,tubos sem costura

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Trefilação

• Na trefilação a peça épuxada através de umamatriz com orifíciocônico

• A força aplicada é detração

• Obtém-se a redução daárea da seçãotransversal e aumentodo comprimento

• Essa técnica é usadana fabricação de fios,arames, barras etc

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Fundição

• O material completamente fundido é derramadosobre um molde com a forma desejada

• O material solidificado assume a forma do molde,mas sofre compressão

• Essa técnica é usada quando:• A forma acabada é muito grande ou complicada;

• A liga possui ductilidade muito baixa;

• Quando é mais viável economicamente comparando-secom outras técnicas

• A etapa final de refino de metais pode incluirfundição

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Fundição em molde de areia

• Provavelmente a mais utilizada

• A areia comum e usada como material para omolde

• As duas partes do molde são obtidos pelacompactação da areia ao redor de um molde com aforma desejada para a peça

• Canais de alimentação são incorporados ao moldepara acelerar o escoamento da liga para o interiordo molde e reduzir defeitos de fundição

• Aplica-se essa técnica em blocos de cilindrosautomotivos, hidrantes de incêndio e conexões detubulações de grandes bitolas

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Fundição em matriz

• O metal líquido é forçado para o interior de uma matriz aalta velocidade e sob pressão

• A solidificação ocorre enquanto mantem-se a pressãoaplicada

• O molde é feito de aço e composto por duas partes

• Ao fim da solidificação, a matriz é aberta e ejeta-se omaterial fundido

• Apresenta baixo custo, por apresentar alta taxa desolidificação e poder reaproveitar a matriz milhares devezes

• Aplicada para peças relativamente pequenas e ligas debaixa temperatura de fusão, como as de zinco, alumínioe magnésio

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Fundição de precisão

• O modelo é fabricado com cera ou plástico combaixa temperatura de fusão

• Uma lama fluida é despejada ao redor do modelopara a obtenção do molde quando endurecida

• O molde é aquecido para derretimento eescorrimento do modelo, gerando uma cavidadeonde o metal fundido será derramado

• Essa técnica é usada para obtenção de peças comalta precisão dimensional, com pequenos detalhese quando deseja-se excelente acabamento

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Fundição com espuma perdida

• O modelo é feito em espuma pela compressão de pelotas depoliestireno que se unem por aquecimento

• O modelo também pode ser cortado de chapas e montadocom cola

• O molde é feito pela compressão da areai ao redor domodelo

• Quando o metal é adicionado, ele substitui o modelo queevapora e assume a forma do molde de areia

• Obtém-se peças de alta precisão e geometria complexa

• Gera menor resíduo que a fundição em areia e é maissimples

• Utiliza-se para peças de ferro fundido e ligas de alumínio

• Podem ser fabricados blocos de motores automotivos entreoutras peças

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Fundição contínua

• Após a extração, muitos metais fundidos sãosolidificados em lingoteiras

• Os lingotes são normalmente laminados a quente

• Esses dois processos podem ser combinados,realizando uma fundição contínua

• O metal fundido é moldado na forma de uma fitacontínua e a solidificação é realizada em matrizesresfriadas com água

• Materiais fundidos dessa forma possuemcomposição e propriedades uniformes em toda suaextensão

• Essa fundição é automatizada

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Metalurgia do pó

• Pós metálicos são compactados e aquecidos para obtenção de materiais densos

• É possível conseguir peças virtualmente sem poros e propriedades equivalentes a dos materiais de origem

• A difusão é fundamental para a obtenção dessas propriedades

• Aplica-se para:• Materiais com baixa ductilidade

• Alta temperatura de fusão

• Peças com tolerância dimensional muito restritas

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Soldagem

• Aplicada quando a fabricação de uma peça única é cara ouinconveniente

• A ligação se dá por difusão, sendo metalúrgica, não apenas física,como quando usamos rebites e parafusos

• Há diferentes técnicas de soldagem

• Na solda por arco e maçarico as peças a serem unidas e omaterial de enchimento são aquecidos até fundição

• O material de enchimento forma uma junção fundida entre aspeças de trabalho

• O material próximo a solda pode sofrer alteração microestruturalafetando as propriedades mecânicas nessa região

• A solda a laser é uma técnica moderna na qual um laser é usadocomo fonte de calor fundindo a região a ser unida

• A soldagem a laser apresenta algumas vantagens em relação aoutras técnicas, como a possibilidade de uso em peças pequenas

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Bibliografia 39

Conceitos básicos

Diagrama de fases de um componente

Sistemas isomorfos binários

Sistemas eutéticos binários

Desenvolvimento de microestrutura

Desenvolvimento de microestrutura

Desenvolvimento de microestrutura

Sistema ferro-carbono

Transformação isotérmica

• Considerando-se uma liga Fe-C eutetóide (com 0,76%p C), toda a austenita pode ser transformada em perlita (composta por ferrita e cementita)

• A transformação pode ocorrer em diferentes temperaturas, sendo mais rápidas ou mais lentas, como mostrado no gráfico

Transformação isotérmica

• Os gráficos de transformação em função do tempo para diferentes temperaturas podem ser unidos em um único diagrama de transformação-tempo-temperatura (T-T-T)

• Cada liga possui um diagrama diferente, o da imagem só é válido para o aço carbono com 0,76%p C

• A curva vermelha indica o início da transformação

• Na curva azul, temos 50% de transformação

• A curva verde indica o final da transformação

Transformação isotérmica

• No diagrama abaixo é exemplificado um tratamentopara completa transformação da austenita em perlita

Transformação isotérmica

• A formação de martensita não ocorre em temperatura constante, ela depende da temperatura até a qual a liga foi resfriada

• No diagrama, em laranja, são indicada as temperaturas necessárias para início, 50% e 90% da transformação da austenita em martensita