i seminário tratamentos térmicos "ih"

João Carmo Vendramim - Isoflama 11/03/2014

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Metalurgia Física dos Aços

João Carmo VendramimIsoflama

O que é Aço?

“É uma liga ferrosa passível de deformação plásticaque, em geral, apresenta teor de carbono entre 0,008%e 2,0% na sua forma combinada e, ou, dissolvida e quepode conter elementos de liga adicionados, ouresiduais”NBR 6215, outubro de 1985


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C G

C F F

(LTQ)LAMINADOR DE TIRAS A

QUENTE

SUCATA

MÁQUINA DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO

GUSA

PANELA DE AÇOLÍQUIDO

ALTO-FORNOCONVERSOR

Fluxo de Produção do Aço

COQUERIA

CARVÃO

MINÉRIODE

FERRO SINTERIZAÇÃO

O2 (OXIGÊNIO)

SINTER

COQUE

OXIGÊNIO

RECOZIMENTO

(LTF)LAMINADOR DE

TIRAS A FRIO

P L A C A S

(LA)LAMINADOR DEACABAMENTO

(TQ) LINHA DE TESOURAS A QUENTE

E.B.A.BORBULHAMENTODE ARGÔNIO

FORNO-PANELAAQUECIMENTOE AJUSTE

R.H.DESGASEIFICAÇÃOà VÁCUO

DESEMPENADEIRAA QUENTE

(LCG)LAMINADOR DE

CHAPAS GROSSAS

TRATAMENTO TÉRMICO:TÊMPERA / REVENIMENTO

TRATAMENTO TÉRMICO:NORMALIZAÇÃO

ULTRA-SOM

LINHA DE INSPEÇÃO

LA LAMINADOR DEENCRUAMENTO

LINHA DE TESOURAS

B QB Q A

B F

C F Q / C F Q A

DECAPAGEM

C F Q D

B Q D

LINHA DE TESOURAS

FORNO DE REAQUECIMENTO

O Ferro, a Liga Ferrosa: Conceitos Básicos

• Ferro: não tem aplicação industrial importante. Substância Pura

• Liga Ferrosa: intensa e ampla aplicação industrial. Material base da “revolução industrial no século XIX”. Solução sólida (composto de vários elementos químicos, tendo o Ferro – solvente - como principal elemento)


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Propriedades do Ferro

Informações gerais

Nome, símbolo, número Ferro, Fe, 26

Série química Metal de transição

Grupo, período, bloco 8 (VIIIB), 4, d

Densidade, dureza 7874 kg/m3, 4

Número CAS 7439-89-6

Propriedade atómicas

Massa atômica 55,845(2) u

Raio atómico (calculado) 140(156) pm

Raio covalente 125 pm

Configuração electrónica [Ar] 3d6 4s2

Elétrons (por nível de energia) 2, 8, 14, 2 (ver imagem)

Estado(s) de oxidação 2, 3, 4, 6 ( anfótero)

Estrutura cristalina cúbico de corpo centrado

Propriedades físicas

Estado da matéria sólido

Ponto de fusão 1811 K

Ponto de ebulição 3134 K

Entalpia de fusão 13,8 kJ/mol

Entalpia de vaporização 349,6 kJ/mol

Volume molar 7,09×10−6 m3/mol

Pressão de vapor 7,05 Pa a 1808 K

Velocidade do som 4910 m/s a 20 °C

Classe magnética Ferromagnético

Temperatura de Curie 1043 K

Por André Luis Silva da Silva

O elemento químico ferro, simbolizado por Fe, é um dos elementos de história mais rica dentre todos os da Tabela Periódica dos Elementos. São hoje conhecidos indícios de sua utilização, procedente possivelmente de meteoritos, que remontam de, talvez, quatro milênios a.C., pelos antigos Sumérios e Egípcios. Entre o terceiro e o segundo milênio a.C. foram encontrados peças compostas de ferro na Mesopotâmia, tendo sua utilização servido para fins cerimoniais. A procedência destas amostras mais recentes descartam a possibilidade de sua proveniência a partir de meteoritos, pois apresentavam ausência completa do elemento químico níquel, comum em matéria extra-terrestre.

Breve História I


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Breve História IEm épocas remotas, assim como mais tarde viria a ocorrer com outros metais, o ferro fora mais valioso do que o ouro, sendo o metal típico da nobreza. As fontes do ferro antigo são difíceis de serem precisadas, mas algumas fontes sugerem que este metal era obtido como um dos subprodutos da obtenção de outros metais, como o cobre.Aproximando-se mais da era cristã, houve um aumento da utilização do ferro no Oriente Médio, mas ainda não como substituto do bronze.

Mas já muito próximo ao século X antes de Cristo, o ferro passou a ser utilizado em lugar do bronze na fabricação de armas e outros utensílios do gênero. Esta transição talvez tenha ocorrido em virtude da escassez do elemento químico estanho, uma das matéria primas do bronze. Também pode-se apontar um avanço tecnológico no trabalho com o ferro, já constatado naquela época. A este período deu-se o nome de Idade do Ferro, que marca a época de substituição da Idade do Bronze, em virtude desta substituição química.

Breve História I


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Acompanhando a substituição do bronze pelo ferro, o processo de carburação foi descoberto, processo esse que consiste na adição do carbono a ferro. Inicialmente este ferro possuia uma baixa quantidade de carbono, sendo difícil o processo de endurecimento deste material. Posteriormente observou-se que um produto mais resistente poderia ser obtido ao aquecer-se a peça de ferro em um forno de carvão vegetal, para somente depois submergí-la em água. O produto obtido apresentava menor dureza e maior fragilidade do que o bronze.O ferro fundido levou ainda um tempo maior para ser obtido facilmente na Europa, pois, sabemos hoje, que a temperatura necessária era difícil de ser obtida. Algumas amostras foram obtidas na Suécia, tornando então esse processo logo conhecido em toda Europa. Ainda na Idade Média e até o final do século XIX muitos países europeus ainda empregavam o método do carvão vegetal na obtenção do aço (mistura entre ferro e carbono). Esse procedimento é hoje realizado em altos fornos, processo que possibilita um maior rendimento e baixa consideravelmente os custos do processo.Referências:RUSSELL, John B.; Química Geral vol.1, São Paulo: Pearson Education do Brasil, Makron Books, 1994.SARDELLA, Antônio; MATEUS, Edegar; Curso de Química: química geral, Ed. Ática, São Paulo/SP – 1995.MAHAN, Bruce M.; MYERS, Rollie J.; Química: um curso universitário, Ed. Edgard Blucher LTDA, São Paulo/SP – 2002

Breve História I

• A Idade do Ferro se refere ao período em que ocorreu a metalurgia do ferro. Esse metal é superior ao bronze em relação à dureza e abundância de jazidas. A Idade do Ferro vem caracterizada pela utilização do ferro como metal, utilização importada do Oriente através da emigração de tribos indo-europeias (celtas), que a partir de 1200a.C., começaram a chegar a Europa Ocidental, e o seu período alcança até a época romana e na Escandinávia até a época dos vikings (por volta do ano 1.000 d.C).

Breve História II


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• A Idade do Ferro é o último dos três principais períodos no Sistema de Três Idades, utilizado para classificar as sociedades pre históricas, sendo precedido pela Idade do Bronze. A data de início, duração e contexto varia de acordo com a região estudada. O primeiro surgimento conhecido de sociedades com nível cultural e tecnológico correspondente à Idade do Ferro se dá no século XII AC em diversos locais: no Oriente Próximo, na Índia antiga, com a civilização védica e na Europa, durante a Idade das Trevas Grega.

• Acredita-se que o Ferro Meteorítico ferro, uma liga de ferro-níquel, fosse já usado por diversos povos antigos milhares de anos antes da idade do ferro, já que sendo nativo no seu estado metálico, não necessitava a extração e fusão do mineral.

Breve História II

Ocorrência• Os principais minérios de ferro são a hematite (Fe2O3), a magnetite (Fe3O4), a

limonite (Fe2O3.H2O) e a siderite (FeCO3). Os compostos de ferro maisvulgares na Natureza são a pirite (FeS2) e a ilmenite (FeO.TiO2), mas não sãoadequado para a extracção do metal. Os maiores depósitos deste metalsituam-se nos EUA, na região fronteiriça Franco-Germânica, na Grã-Bretanha,na Áustria, na Suécia, e a Rússia. Outros importantes produtores de ferro sãoo Brasil, o Chile, Cuba, Venezuela e Canadá. Este elemento aparece aindacomo constituinte subsidiário em quase todas as rochas, bem como nos seresvivos, vegetais e animais. Encontra-se ainda em águas naturais, às vezes emquantidade apreciável. Em Portugal são exemplos característicos as águas doBarreiro (Caramulo), Melgaço, Vidago, Salos, Vale da Mó, Ribeirinho e Arco(Castelo de Vide), Férrea da Câmara (Açores) e outras.

Breve História II


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Minério de ferroCoque

FundentesAlto Forno Gusa Aciaria Aço

Laminação

Forjaria

Sucata Fornos a arco Adição de ligas AçoLaminação

Forjaria

SIDERÚRGIA PRIMÁRIA

SIDERÚRGIA SECUNDÁRIA

Definição de aço• Seus principais elementos : Fe e C

• Outros elementos de liga: secundários

• Para facilitar: Aço é uma liga ferro carbono contendo geralmente

entre 0,008 e 2,11% C Tópicos

História: “O aço de Damasco”

Entre os numerosos métodos mágicos da antiguidade, um dos mais famosos era o processo de endurecimento de espadas de aço - muito comum em Damasco entre os séculos 12 e 14 - que segundos alguns consistia em enfiar a lâmina superaquecida no corpo de um prisioneiro ou resfriar a lâmina superaquecida na urina de garotinhos ruivos.

Na Idade Média, os cavaleiros cristãos aprenderam, para sua angústia, que as espadas feitas com o aço de Damasco eram mais resistentes e também mais duras do que as fabricadas na Europa.


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Constituição de uma liga•A constituição de uma liga é descrita por três parâmetros:

�Fases presentes

�Composição de cada fase

�Proporção de cada fase

As propriedades mecânicas dependem da constituição da microestrutura.

Outros fatores de importância nas propriedades:

Microestrutura• As propriedades mecânicas de uma liga dependem fundamentalmente

da microestrutura

• Nas ligas metálicas – caso especial a do aço – a microestrutura está definida pelo número de fases presentes, as proporções e o modo pela qual estão distribuídas e organizadas

• A microestrutura depende de:

� Composição química (componentes presentes)

� Concentração no sistema

� Tratamento térmico aplicado


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Soluto, Solução, Fase - Conceitos Básicos• Denomina-se “Fase” à mistura, totalmente uniforme, não apenas quanto à

composição química, mas também quanto ao estado físico. Fase Homogênea dizrespeito a um sistema que tenha apenas uma fase, por exemplo “um volume dear”, “um bloco de gelo”. Sistemas compostos de uma, ou mais, fases sãodenominados Heterogêneos, por exemplo “água e gelo moído”.

• Solução: trata-se de uma mistura homogênea de espécies químicamicroscopicamente dispersas. Por conveniência, a espécie química presente emmaior quantidade na solução é denominada de “Solvente”. A(s) outra(s), emmenor quantidade, é (são) o “Soluto”. A priori, não há distinção fundamentalentre um ou outro.

• Quando se combinam materiais diferentes, ou quando se adicionam elementos deliga a um metal, produzem-se Soluções. É importante o conhecimento daquantidade de material que se pode adicionar, sem que se produza uma segundafase, ou ter dados sobre a solubilidade de um material no outro.

A Natureza Cristalina dos Metais

• Amorfa

Os átomos são arranjados de forma caótica.

Por exemplo: Vidro

• Cristalina

Os átomos são arranjados de forma ordenada.

Por exemplo: Ferro; Alumínio; Cobre

Todos os metais, muitas cerâmicas e alguns polímeros formam estruturascristalinas sob condições normais de solidificação


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• Nos materiais não-cristalinos ou amorfos não existe ordemde longo alcance na disposição dos átomos

• As propriedades dos materiais sólidos cristalinos dependemda estrutura cristalina, ou seja, da maneira na qual os átomos, moléculas ou íons estão espacialmente dispostos.

• Há um número grande de diferentes estruturas cristalinas, desde estruturas simples exibidas pelos metais até estruturasmais complexas exibidas pelos cerâmicos e polímeros


O modelo de esferas rígidas


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• Célula Unitária

Consiste num pequeno grupo de átomos que formam um modelo repetitivo ao longo da estrutura tridimensional (analogia com elos da corrente)

A célula unitária é escolhida para representar a simetria da estrutura cristalina


Células Cristalinas

14 Células de Bravais


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• A célula cristalina CCC – Cúbica de Corpo Centrado (Ferro Alfa)


Exemplos: Cromo, molibdênio, nióbio, titânio beta, ferro alfa

A Natureza Cristalina dos Metais• A célula cristalina CFC – Cúbico de Face Centrada (Ferro Gama)

Exemplos: Alumínio, cobre, ouro, prata, chumbo, níquel, ferro gama


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• A célula cristalina HC – hexagonal compacta


Defeitos CristalinosSoluções sólidas Ligas são combinações de dois ou mais metais num material. Podemser misturas de dois tipos de estruturas cristalinas. Em uma liga, o elemento presenteem menor concentração denomina-se soluto e aquele em maior quantidade, solvente.Na solução sólida a adição de átomos do soluto não modifica a estrutura cristalina,nem provoca a formação de novas estruturas.

Solução sólida intersticial: os átomos de soluto ocupam os interstícios existentes noreticulado. Os átomos intersticiais interferem na condutividade elétrica e nomovimento dos átomos que formam o retículo. Este movimento restrito torna a ligamais dura e forte do que seria o metal hospedeiro. Exemplo Fe-C ; Fe-H

O Carbono dissolvido intersticialmente no Fe α embora mais estável que umaconfiguração substitucional de átomos de C nos sítios da rede do Fe, a estruturaintersticial produz uma considerável tensão localmente à estrutura cristalina do Fe α.O carbono está altamente comprimido nesta posição, o que implica em baixíssimasolubilidade, menos de 0,02% de C é solúvel no Fe α


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Defeitos pontuais em metais

Auto-intersticiais: consiste em um átomo da própria rede que ocupa um interstício daestrutura cristalina. Os defeitos autointersticiais causam uma grande distorção doreticulado cristalino a sua volta.

Lacunas Lacuna (“vacancy”): ausência de um átomo em um ponto do reticuladocristalino. Podem ser formadas durante a solidificação do cristal ou como resultado dodeslocamento dos átomos de suas posições normais (vibrações atômicas). As lacunassão essenciais em processo de difusão. A quantidade de lacunas aumenta com atemperatura. Pode-se projetar materiais com propriedades “pré-estabelecidas”através da criação e/ou controle desses defeitos.

Impurezas nos metais (substitucional – intersticial): É impossível existir um metalconsistindo de um só tipo de átomo (metal puro). As técnicas de refino atualmentedisponíveis permitem obter metais com um grau de pureza no máximo de 99.9%.

Defeitos Cristalinos

Solução sólida substitucional: os átomos de soluto substituemuma parte dos átomos de solvente no reticulado. Comoexistem pequenas diferenças no tamanho e na estruturaeletrônica, os átomos do soluto, em uma liga substitucional,distorcem a forma do retículo e dificultam o fluxo dos elétrons.Como o retículo está distorcido, é mais difícil para um plano deátomos deslizar por cima do outro. Como resultado, emborauma liga substitucional tenha condutividade térmica e elétricamais baixa que o elemento puro, é mais forte e dura.

Exemplo Cu-Zn ; Cu-Sn.



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Por conta de Defeitos Cristalinos o aço podesofrer corte, usinagem, deformar a quente e afrio, extrudar, laminar, forjar, estampar, emodificar propriedades mecânicas, elétricas emagnéticas pelo tratamento térmico.

Enfim, Defeitos que se tornam Virtudes nautilização dos metais. Valeria também para a espécie humana!?



• Polimorfismo ou Alotropia

Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estruturacristalina dependendo da temperatura e pressão.

Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo.

Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadasde mudanças na densidade e mudanças de outraspropriedades físicas.


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• Alotropia

À existência, para um mesmo metal, de duas ou mais estruturas cristalinas estáveis, dependendo das condições de temperatura e

pressão, denomina-se Alotropia.

Alotropia do Ferro

Vapor2875 ºC

Líquido

Ferro δ CCC

Ferro γ CFC

Ferro αααα CCC

Não magnético – ferro β

Ferromagnético

1538 ºC

1394 ºC

912 ºC

770 ºC

25 ºC


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CCC

CFC

O Ferro e suas fases alotrópicas

• Acima de 1538°C: líquido

• Abaixo de 1538°C- Fe δ (CCC)

• Abaixo de 1394°C – Fe γ (CFC)

• Abaixo de 912°C – Fe α (CCC)

Evolução das fases com a temperatura


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Alo

tro

pia

do

Fe

rro


Efeito da Temperatura no parâmetro de reticulado do Ferro


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Mudança de volume devido a transformação estrutural

número do slide 38

• Ferros Fundidos

• Austenita

• Ferrita

• Cementita

• Grafita

• Martensita

• Bainita

• Aços

• Austenita

• Ferrita

• Cementita

• Martensita

• Bainita

Fases


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Principais Fases do Aço• Ferrita

• Fe Alfa “αααα” (CCC) – é uma fase nucleada a partir do contorno de grão da Austenita. Devido a baixa solubilidade do carbono na Ferrita (máximo 0,02 a 723 ºC), o carbono é expulso da rede de Austenita e se aglomera em Carbonetos remanescentes separados da Ferrita. Baixa dureza e dúctil.

• A Ferrita Acicular nucleia em inclusões não metálicas e cresce radialmente em forma de agulhas.

Principais Fases do Aço

• Austenita

• Ferro Gama “γ” (CFC) – é a única fase que pode se transformar em outras fases no resfriamento. Estável a temperaturas elevadas, mas metaestável (pode se transformar em outras fases) a temperaturas baixas. Ela existe quando o aço é aquecido a temperaturas superiores a 910 ºC e é estável até resfriamento a 723 ºC. Austenita é uma fase “mole” e dúctil.


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Cementita

Devido a Ferrita não ter espaço suficiente para manter o átomo de carbono,todo o carbono expulso da rede de austenita se precipita na forma deCarboneto de Ferro (Cementita) – Fe3C . Elevada dureza (~ 68 HRC)

CCC para CFC• Transformação da Ferrita (CCC) em Austenita (CFC)


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Perlita

Perlita é uma combinação de plaquetas de Ferrita e Cementita. A Perlita seforma, predominantemente, nas regiões da célula com defeitos cristalinos,tais como contornos de grãos, carbonetos insolúveis, ou inclusões não-metálicas como os sulfetos.

A Martensita• A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro

tetragonal de corpo centrado (TCC), ou seja uma forma distorcida do ferrocúbico de corpo centrado (CCC). Abaixo, martensita com estrutura deagulhas


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A Martensita

A martensita é extremamente dura, frágil, adquirindo dureza pela indução de

elevada tensões na estrutura cristalina. A martensita pode ser revenida por

tratamento térmico para reduzir tensões e dureza.

À capacidade do aço em formar martensita, ou em adquirir dureza, é

denominada de “Endurecibilidade”

A Martensita

Martensita é mais freqüentemente encontrada

em aços alto-carbono e ferros-carbono ligado.

Os cristais de martensita são formados em placas

lenticulares delgadas a placas vizinhas que não estão

paralelas a cada uma.

Ripas de martensita são observadas em aços baixo

e médio carbono. Esses cristais são formados

como placas interconectadas e tendo a mesma

orientação.


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Estrutura Cristalina TCC (Martensita) Tetragonal de Corpo Centrado

Têmpera e Revenimentos a Vácuo - 2014Nitretação Iônica por

Plasma


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As principais transformações a

partir da Austenita

• A transformação da Austenita em outro constituintepode ocorrer por difusão, cisalhamento, ou umamistura dos dois mecanismos:

Austenita (produtos da transformação):

� Ferrita;

� Ferrita Acicular; Bainita

� Martensita

Principais Transformações a partir da Austenita


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Principais Transformações a partir da Austenita

• Austenita (acima de 723 ºC)

Resfriamento

Moderado

Cisalhamento

+

Difusão

Perlita + Ferrita

Resfriamento

Rápido

Cisalhamento

Resfriamento

Lento

Difusão

Bainita

Ferrita Acicular Martensita


A Martensita

• Martensita – forma-se no resfriamento no campo da Austenita dodiagrama Fe-C.

• Ms – temperatura de início de transformação.

• Mf- temperatura final de transformação.

• Ms e Mf dependem do teor de carbono presente (Ms entre 200 a 350 ºCpara maioria dos aços; e Mf variando entre abaixo de 0 a 200 ºC).

• O mecanismo de formação da martensita não é por difusão, mas porcisalhamento, ocorrendo distorção da rede cristalina e formandoestrutura tetragonal de corpo centrado.


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O Diagrama Ferro-Carbono

Diagrama de Fases Fe-C (Fe-Fe3C)


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Diagrama de Equilíbrio Fe-C

Diagrama de Equilíbrio Fe-C


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Principais Informações do Diagrama Fe-C

Ou linha crítica

723 ° C

Temperaturaabaixo da linhaA1 em quenenhumatransformaçãoocorre (723 ºC)


• Aço Hipoeutetóide: Solução sólida de Ferro com Carbono entre 0,002 e

0,8%

• Aço Eutetóide: Solução sólida de Ferro com 0,8% de Carbono

• Aço Hipereutetóide: Solução sólida de Ferro com Carbono entre 0,8% e

2,0%

• 723 ºC: linha que sinaliza o limite da transformação de fase Austenita para

as fases Perlita e Ferrita

• Eutético: do grego eutektos (mais baixo ponto de fusão)


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Reação Eutética

Esse tipo de reação é uma reação invariante porque está emequilíbrio térmico; outra forma de definir isto é a Energia Livrede Gibbs igual a zero. Concretamente, isso significa que o líquidoe duas soluções sólidas coexistem ao mesmo tempo e estão emequilíbrio químico.

O sólido resultante de macroestrutura de uma reação eutéticadepende de alguns fatores. O fator mais importante é a formacomo as duas soluções sólidas crescem. A estrutura mais comumé uma estrutura lamelar, mas outras estruturas possíveis incluembastonete, globular, e aciculares.

Do grego eutektos ("facilmente fundida") é uma mistura de compostos, ou elementosquímicos, em uma determinada proporção de ponto de fusão mais baixo. Noresfriamento uma fase líquida se transforma em, pelo menos, duas fases sólidas. Essacomposição é conhecida como composição eutética e sua temperaturacomo temperatura eutética.

Liga Eutética de Estanho (Sn) e Chumbo (Pb).

Ponto de Fusão [ºC]:Liga Eutética Sn-Pb: 183Estanho: 232Chumbo: 327

Mistura Eutética


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Regra das AlavancasNa atividade de pesquisa não se mede a energia livre com o fim de se determinar a constituição de fases.Os diagramas de fases são registros diretos de experimentos. Primeiramente, produz-se amostras das ligas.Usualmente é muito mais simples fazer com que amostras de composição conhecida cheguem ao equilíbrio,em várias temperaturas, e determinar, com o uso de técnicas óticas, elétricas ou de raios X, a presença dasvárias fases. A composição da liga é o “ponto de apoio” e a quantidade de cada fase é proporcional aocomprimento, isto é, diferença de composições, do “braço de alavanca oposto”. A fração da ligacorrespondente a cada fase é simplesmente o braço da alavanca oposto dividido pelo comprimento total.

Regra das Alavancas


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Ou linha crítica

723 ° C



33

• Linhas de transformação para o aquecimento e resfriamento nas ligas Fe-C


• Para aços Hipoeutetóides as temperaturas críticas A1 e A3 podem ser estimadas, em consideração aos elementos de liga, conforme as equações:



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Temperaturas Críticas para alguns aços




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Fases no Aquecimento / Resfriamento do Aço Hipoeutetóide

• As quantidades de Ferrita e Perlita

variam conforme a % de carbono

e podem ser determinadas pela

“Regra das Alavancas”

• Partes claras � pró-eutetóide Ferrita

Ferrita Eutetóide

Cementita Eutetóide

Formação da Perlita


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Principais Informações do Diagrama Fe-CAquecimento / Resfriamento do Aço Eutetóide


37

número do slide 73

CCC

CFC

A Liga Eutética Fe-C

Microestrutura do aço Eutetóide (100% perlítico)



38

Aquecimento e Resfriamento do Aço Hipereutetóide

• Aquecimento / Resfriamento do Aço Hipereutetóide



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Estrutura típica de aço Hipereutetóide com 1,3%C


Principais Microestruturas do Aço

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