t3 - acos ligados e ferro-fundidos

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Ciência e Engenharia de Materiais I Introdução aos Materiais 3 aula – Aços ligados e ferros fundidos Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Licenciatura em Engenharia e Gestão Industrial fundidos

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Page 1: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

Ciência e Engenharia de Materiais I

Introdução aos Materiais

3 aula – Aços ligados e ferros fundidos

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Licenciatura em Engenharia e Gestão Industrial

fundidos

Page 2: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Para que servem os elementos de liga?

-Retardam a transformação da austenite

-Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro

-Impedem o crescimento do grão durante a austenitização

-Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz

Aços – Elementos de liga

-Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz

-Formam óxidos protectores à superfície dos aços

-Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)

-Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento

Page 3: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Retardam a transformação da austenite

Aços – Elementos de liga

-A presença de alguns elementos em solução sólida na austenite estabilizam-na, isto é, tornam mais difícil a sua transformação.

-Há diagramas onde podem ser analisadas as transformações que sofre a austenite durante o arrefecimento (TAC – transformação em arrefecimento contínuo).

Page 4: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Retardam a transformação da austenite

Aços – Elementos de liga

-Exemplo real de diagrama TAC

Page 5: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Retardam a transformação da austenite

Aços – Elementos de liga

-Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos

Aço ao carbonoAço Ligado

Page 6: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Retardam a transformação da austenite

Aços – Elementos de liga

-Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos

AÇO AISI 4340 C0,42% C, 0,78% MN, 1,79 NI, 0,80%

CR E 0,33% MO

AÇO AISI 5140 0,43% C, 0,68% MN E 0,93% CR

Page 7: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Retardam a transformação da austenite

Aços – Elementos de liga

-Propriedades mecânicas após arrefecimento

Como o interior das peças

arrefecem a uma taxa menor que

o exterior, é mais difícil obter as

estruturas bainite e martensite e

as durezas são menores. Como os

elementos de liga permitem obter

estas estruturas com

arrefecimentos menos violentos, a arrefecimentos menos violentos, a

dureza é constante até ao interior

da peça.

1050 e 1080 – aços ao carbono

(0,5 e 0,8 %pd C.

4340 – aço de alta liga

Page 8: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro

Aços – Elementos de liga

-Num aço ligado podem formar-se carbonetos durante a sua obtenção.

-Os carbonetos mais estáveis são de difícil dissolução (de V, W, Ti). Precisam de temperaturas mais elevadas para se dissolverem na austenite

-No entanto, os carbonetos podem ter um papel importante ao impedirem o crescimento do grão austenítico.

-Para que os elementos de liga retardem a formação da austenite, têm que estar dissolvidos na matriz. Então é necessário dissolver os carbonetos.

Page 9: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Impedem o crescimento do grão durante a austenitização

Aços – Elementos de liga

-Ao fixarem-se nas fronteiras de grão impedem o crescimento do grão

10

15

20

de

grã

os

inte

rsec

tad

os

Aço de alta liga

Aço de alta ligaCarbonetos muito estáveis

-O comportamento mecânico depende do tamanho de grão. Se o grão de austenite for grande, também o será nas fases nas quais ela se transforma, logo piores propriedades mecânicas

-Quando os carbonetos se dissolvem, os elementos de liga ficam inseridos na austenite em solução sólida

5

10

de

grã

os

inte

rsec

tad

os

Temperatura de austenitização ºC

1100 1150 1200 1250

Aço de baixa liga

Page 10: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz

Aços – Elementos de liga

-Quando se dissolvem na matriz dão origem a um endurecimento do material

-Endurecimento por solução sólida. Um bom exemplo da utilização deste fenómeno é nos aços-mola que têm teores de Si muito elevados.

Page 11: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Formam óxidos protectores à superfície dos aços

Aços – Elementos de liga

� Aços inoxidáveis – Grupo de ligas ferrosas que contêm mais de 11% Cr e que têm uma resistência à corrosão elevada.

� Para que o Cr tenha efeito é necessário encontrar-se em solução sólida no ferro.

� Devido à muito elevada afinidade para o oxigénio, o Cr oxida-se preferencialmente em relação ao Fe, formando uma camada superficial de Fe-O que protégé o aço da corrosão e da superficial de Fe-O que protégé o aço da corrosão e da oxidação.

� Classes de aços inoxidáveis:

• Ferríticos

• Martensiticos

• Austeniticos

• Endurecidos por precipitação

• Com estrutura duplex

Page 12: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Formam óxidos protectores à superfície dos aços

• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)

Aços – Elementos de liga

-Aços inoxidáveis ferriticos (Cr alfagénio, estabiliza a ferrite)

-Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos

Page 13: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Formam óxidos protectores à superfície dos aços

• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)

Aços – Elementos de liga

-Aços inoxidáveis martensíticos (teores mais baixos de Cr ~13 %Cr)

-Se o arrefecimento não for sufcientemente rápido pode haver precipitação de carbonetos

Page 14: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

Aços – Elementos de liga• Formam óxidos protectores à superfície dos aços

• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)

-Aços inoxidáveis austeníticos (Ni, gamagénio, estabiliza a austenite)

-Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos durante o arrefecimento

Page 15: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Aços inoxidáveis

Aços – Elementos de liga

-Problemas de falta de resistência à corrosão

-Em qualquer tipo de aços inoxidáveis pode haver precipitação de carbonetos, logo é retirado Cr da matriz.

-A existência de duas soluções sólidas com teores de Cr diferentes promove a corrosão do Fe. Uma das zonas fica com menos Cr e deixa de estar protegida

-Distribuição do Cr no corte X-Y -Precipitação de carbonetos na fronteira de grão

Page 16: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Aços inoxidáveis

Aços – Elementos de liga

-Resolução dos problemas de falta de resistência à corrosão

-Arrefecer rapidamente na gama de temperaturas em que se dá a precipitação dos carbonetos. Nem sempre é fácil (p.ex. em soldaduras)

-Diminuir o teor de C o mais possível. Nem sempre isto é fácil e perdem-se propriedades mecânicas (p.ex. o 304 e o 304 L – passa de 0,1 para 0,03% C)

-Recozer as peças que sofreram precipitação (sensibilizadas). Difícil de realizar pois para se dar a homogenização do Cr são necessários tratamentos de mais de 1000 h de duração)

-Adicionar elementos que tenham afinidades muito grandes para o carbono. P.ex. Ti, Mo ou Nb

Page 17: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento

Aços – Elementos de liga

-Aços ferramentas (tratamento de revenido)

-Durante o aquecimento posterior de uma aço com estrutura martensítica, o carbono “em excesso” na martensite dá origem à precipitação de carbonetos. Com alguns elementos de liga estes carbonetos precipitam muito finamente e conseguem manter, ou mesmo aumentar (endurecimento secundário) a resitência mecânica do aço.

Page 18: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA DE ACORDO COM A UTILIZAÇÃO

-AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIOSão aços que se destinam ao fabrico de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aços, metais não ferrosos e

materiais não metálicos, em diversas operações como corte, estampagem, cunhagem, trabalhos em madeira, cerâmicos,

corte de papel, etc. Não necessitam de grandes quantidades de elementos de liga para manterem a dureza após revenido.

Têm alta resistência à abrasão que é assegurada pela presença de carbonetos de Cr, W, Mo e V, juntamente com elevado

teor de carbono.

Aços – Elementos de liga

-AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A QUENTEDestinam-se ao fabrico de ferramentas utilizadas no trabalho a quente de aços, ligas não ferrosas, etc..

Têm elevada resistência ao revenido; elevada resistência mecânica a quente; boa tenacidade; grande resistência à

• Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento

Têm elevada resistência ao revenido; elevada resistência mecânica a quente; boa tenacidade; grande resistência à

abrasão a temperaturas elevadas. Os elementos Cr, Mo, V e W ligam-se ao carbono, que nesses aços está entre 0,30 e

0,60%, formando carbonetos que contribuem para a obtenção das propriedades requeridas nos aços. O Ni é adicionado

quando se necessita de maior tenacidade

- AÇOS PARA MOLDESAços para moldes usados para transformação de plásticos. São fáceis de ser conformados; têm boa resistência

mecânica; são fáceis de polir; têm boa soldabilidade. Têm um teor baixo a médio em elementos de liga que lhe

melhoram a temperabilidade

-AÇOS RÁPIDOS-Aços utilizados em ferramentas, devido à sua alta dureza no estado temperado e retenção da dureza a elevadas

temperaturas (até 550°C-600°C ). Esta característica é chamada de dureza a quente e constitui a mais importante

propriedade dos aços rápidos. Além disso, devido ao alto teor de carbono e ao elevado número de carbonetos de liga,

estes aços têm uma resistência ao desgaste superior à de outros tipos de aços para ferramentas, o que torna a sua

durabilidade maior. São aços de alta liga com elementos como o W, Mo, V, Cr.

Page 19: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Na maioria dos casos seguem o diagrama estável (Fe-C)

Elemento Ferro

cinzento

Ferro

Nodular

Ferro

maleável

Ferro

branco

C 2,5 -4,0 3,0-4.0 2,0 a 2,6 1,8-3,6

Si 1,0-3,5 1,8-3,0 1,1-1,6 0,5-1,9

Mn 0,25-1,0 0,1-1,0 0,2-1,0 0,25-0,8

S 0,02-0,25 <0,02 <0,18 0,06-0,20

P 0,05-1,0 <0,1 <0,18 0,06-0,18

-Divisão - composição química típica

Page 20: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

%C ∈ [1,8-3,6%] %Si ∈ [0,5-1,9]

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Ferros fundidos brancos

-Estrutura:Ferrite + perlite

Boa Boa resistênciaresistência aoao desgastedesgaste

DurosDuros e e frágeisfrágeis

Page 21: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Ferros fundidos Cinzentos

A grafite forma-se quando o teor

de carbono da liga excede a

quantidade que se dissolve na

austenite

precipitação de

carbono sob a forma

%C ∈ [2,5-4%] %Si ∈ [1-3%]

α

αα + Fe+ Fe33CC

carbono sob a forma

de grafite (por

influência do silício)

OO teorteor (quantidade)(quantidade) dede perliteperlite dependedepende dada

velocidadevelocidade dede arrefecimentoarrefecimento..

↑↑ V V →→ ↑↑ quantidade de quantidade de αα + Fe3C+ Fe3C

↓↓V V →→ ↑↑ difusão do carbono para as lamelas de grafitedifusão do carbono para as lamelas de grafite

→→ Maior quantidade de ferriteMaior quantidade de ferrite

α

5x 50xBoa resistência à compressãoBoa resistência à compressão

Boa maquinabilidadeBoa maquinabilidade

Boa resistência ao desgasteBoa resistência ao desgaste

Boa resistência à corrosãoBoa resistência à corrosão

Boa fluidezBoa fluidez

Boa resistência à vibraçãoBoa resistência à vibração

Page 22: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Ferros fundidos dúctil (grafite nodular)

Magnésio reage com oxigénio

e enxofre

%C ∈ [3-4%] %Si ∈ [1,8-2,8%]

permite a formação

grafitegrafite

αα + Fe+ Fe CC

Teores 10x menores do que

nos F.F. cinzentos

permite a formação

de grafite nodular

ExcelenteExcelente maquinabilidademaquinabilidade,,

Boa Boa fluidezfluidez

Boa Boa resistênciaresistência aoao desgastedesgaste, ,

Boa Boa resistênciaresistência mecânicamecânica, ,

RelativamenteRelativamente dúctildúctil..

%S < 0.03% %P < 0,1%

5x 50x

ααα + Fe+ Fe33CC

Page 23: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Ferros fundidos maleáveis

gg

αα

Ferro Ferro fundidofundido brancobranco + + tratamentotratamento térmicotérmico

1. 1. GrafitizaçãoGrafitização

AquecimentoAquecimento acimaacima de de TeutTeut e e manutençãomanutenção de de dede

3 a 20h3 a 20h

gg

αααααααα + Fe+ Fe33CC

Fe3C Fe3C �������� carbonocarbono + austenite+ austenite

2. 2. ArrefecimentoArrefecimento

LentoLento

Austenite Austenite �������� Ferrite + Ferrite + grafitegrafite

RápidoRápido

Austenite Austenite �������� PerlitePerlite ((martensitemartensite) + ) + grafitegrafite

Page 24: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)Ferros-fundidos

-Quadro-resumo

Page 25: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Peças em ferros fundidos

Peças de automóvel

Ornamentals Marble Table Antique Toys

Machinery PartsSprockets

Gas Burners

Radiators

Flanges

(Cast Iron, Forged, Carbon Steel)

Page 26: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)Ferros-fundidos

-Estruturas em ferros fundidos

Page 27: T3 - Acos ligados e ferro-fundidos

• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)

Ferros-fundidos

-Ferros fundidos brancos