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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINACurso de Graduação em Engenharia de Materiais

Metais Ferrosos e Não Ferrosos – EMC 5715

Volume I

Professor: Antonio Pedro Novaes de Oliveira

Plano de Aula

Assunto: Fundamentos sobre aços, ferros fundidos e não ferrosos.

Objetivo Geral: Ao final do curso o aluno deverá estarapto a conhecer e inter-relacionar os fundamentos(relação entre microestrutura, propriedades eaplicações) dos principais materiais metálicos deengenharia.

Plano de Aula

Conteúdo Programático: (56 horas)

Introdução: Definições, alotropia do ferro puro, diagrama ferro-carbono,processos de fabricação de aços-uma breve introdução. Transformaçãode fases em metais: reações perlítica, bainítica e martensítica-curvasTTT. Tratamentos térmicos em metais: recozimento, normalização,têmpera, revenido, solubilização e precipitação, austêmpera e martêmpera,tratamentos termoquímicos e superficiais. Relação entremicroestrutura e propriedades de ligas metálicas com ênfase nasprincipais ligas e suas aplicações: aços e ferros fundidos, alumínio esuas ligas, cobre e suas ligas.

Metodologia:A aula será expositiva com a utilização de quadro e “data show”. Filmes específicos também serão apresentados ao longo do curso.

Plano de Aula

Avaliação de Aprendizado: Serão aplicadas três avaliações e testes sendo disponibilizada, ao longo de cada

unidade, uma lista de exercícios , no total de três listas, a título de orientação paraestudo. Os testes serão de múltipla escolha e poderão ser aplicados a qualquermomento sem aviso prévio e terão duração de 15 minutos contados a partir do inícioou antes do término das aulas.

Nota Final 1: [Aval.1 (25%)+ Aval.2 (25%) + Aval.3 (25%) + Testes (25%)] 6 : Aprovado;

Nota Final 1: [Aval.1 (25%)+ Aval.2 (25%) + Aval.3 (25%) + Testes (25%)] < 6 : Avaliação de Recuperação (sobre toda a matéria);

Nota Final 2: (Nota Final 1 + Avaliação de Recuperação)/2 6 : Aprovado; Nota Final 2: (Nota Final 1 + Avaliação de Recuperação)/2 < 6 : Reprovado.

Observação: O aluno que tenha, por qualquer motivo, faltado a qualquer uma dasavaliações aplicadas ou testes, deverá, dentro de 72h, contadas a partir da data derealização da avaliação ou dos testes, dirigir-se ao Departamento de EngenhariaMecânica da UFSC para apresentar justificativa fundamentada. A não apresentaçãode justificativa ou a não aceitação da mesma, por parte do Departamento deEngenharia Mecânica, acarretará em nota zero (0,0).

Plano de Aula

Bibliografia: Vicente Chiaverini; Aços e Ferros Fundidos, 7º edição, ABM 2012. Willian F. Smith; Materials Science and Engineering: Structure and

Properties of Engineering Alloys, Second Edition – McGraw-Hill, Inc., NewYork, 1993.

Vicente Chiaverini; Tecnologia Mecânica: Materiais de ConstruçãoMecânica, Volume III, Segunda Edição, McGraw-Hill, São Paulo, 1986.

W.D. Callister, Jr.; Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução;8º edição – Ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2012.

J.F. Shackelford; Introduction to Materials Science for Engineers; 7ºedição – Prentice-Hall do Brasil, Ltda., Rio de Janeiro, 2008.

L.H. Van Vlack; Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, 4ºedição – Editora Campus Ltda., Rio de Janeiro, 1984.

Materiais Ferrosos e Não Ferrosos Classificação geral:

Principais materiais metálicos

Ferrosos Não ferrosos

Aços carbono

Aços

Aços ligados (baixa, média

e alta liga)

Ferros fundidos (FC, FB, FM, FE)

Al e suas ligas

Cu e suas ligas

Latões Bronzes

Definição:•Ligas ferro-carbono contendo geralmente 0,008% até cerca de 2,0% decarbono e certos elementos químicos residuais (Si, Mn, P, S) resultantes doprocesso de fabricação .•Aço-liga ou aço-carbono que contém outros elementos de liga ouapresenta os elementos químicos residuais em teores acima dos que sãoconsiderados normais.•P-S = 0,025-0,10%;•Mn = 0,25-0,90%;•Si = 0,05-0,30%;•Al = 0,012-0,015%;•N < 0,01%; H= 0,001-0,0001%;•Aços ligados: elementos liga < 3-3,5% (baixa liga) e >10-12% (alta liga).

Aços

Fluxograma básico do processode fabricação de aço primário

Carvão

Calcário

Minério de Ferro

Coqueria

Moagem e

Peneiramento

Beneficiamento

Alto Forno

Fundição deFerro fundido

Ferro Gusa

Conversor

Aço

Matérias-primas

Minérios de ferro: Magnetita (Fe3O4) : 72,4% Fe; Hematita ( Fe2O3) : 69,9% Fe; Limonita (2Fe2O3.3H2O) : 48,3% Fe.

Carvão: Como combustível; Redutor do minério de ferro; Fornecedor de carbono.

Composição química:Cinzas: 7,16%Carbono total: 79,41%Hidrogênio: 5,14%Nitrogênio: 1,46Oxigênio: 5,81%Enxofre: 1,02% Fósforo: 0,005%

Matérias-primas

Calcário (CaCO3):

Fundente básico reage com impurezas do Ferro e Carvão (ácidos) diminuindo seus pontos de fusão e formando escória.

Composição química:

CaO: 48%

MgO: 10%

SiO2: 5%

Al2O3: 1,5%

P: 0,05%

S: 0,05%

Fe: 3%

Produção do Ferro Gusa: Alto-FornoSeção longitudinal de um alto-forno

Minério de Fe: 1560 tMinério de Mn: 23 t

Coque: 800 tCalcário: 350 t

Gás de alto-forno(CO2, CO, H2, N2)

Poeira

Ar comprimido2000/2500 t

Ferro Gusa1000 t

Escória200/400 t

Produção de Ferro Gusa: Alto Forno

Produtos do alto-forno: Ferro Gusa

3-4,5% C; 0,5-4% Si; 0,5-2,5% Mn; 0,05-2,0% P; 0,20% S

Escória

29-38% SiO2; 10-22% Al2O3; 44-48% CaO + MgO;

1-3% FeO + MnO; 3-4% CaS

Gás

13% CO2; 27% CO; 3% H2; 57% N2

Obtenção do Aço / Conversor LD

Seção longitudinal esquemática de um conversor LD utilizando insuflação de oxigênio pelo topo.

Principais reações: 2Fe + O2 2FeO

2FeO + Si SiO2 + 2Fe

FeO + Mn MnO + Fe

FeO + C Fe + CO

FeS + Mn MnS + Fe

3FeO + 2Al Al2O3 + 3Fe

Fabricação de Metais e Ligas

Metais/Ligas Fundição Forma final

Forma semifinal Conformação* Forma final

*Forjamento, laminação, extrusão, trefilação.

Solidificação:

Fabricação de Metais e Ligas

Laminação Forjamento

Extrusão

Trefilação

Transformações alotrópicas do ferro

Representação esquemáticadas transformaçõesalotrópicas do ferro,mostrando-se, à direita,curvas de resfriamento eaquecimento com anomenclatura usualmenteempregada para indicarvários pontos em queocorrem as transformaçõese as várias fases presentes.

Fase a (A) r (A) f (-)

α 2,86 1,241 0,68

Ϫ 3,65 1,269 0,74

δ 2,93 - -

Fonte: CHIAVERINI, V. , 2005

Perlita eutetóide: 88% ferrita e 12% cementita (7:1)

0,3%C = (37,5% perlita + 62,5% ferrita)

1,3%C = (91,5% perlita + 8,5% cementita)

Teor de Carbono x Prop. Mecânicas

Influência do teor de carbono sobre as propriedades de aços-carbono esfriados lentamente.

Dure

za B

rinell


Elementos de liga

Influência dos elementos deliga sobre o teor de carbonoe a temperatura doeutetóide.


Elementos de liga

Efeito de certoselementos de ligasobre o campoaustenítico.


↑ΔT : ↓SpRE

pTT

S

1Largura das lamelas → α : Fe3C → 7 : 1

D1 = 15 HRC P1 (700ºC) → Sp = 1μm D2 = 40 HRC P2 (600ºC) → Sp = 0,1μmρα = 7,86 g/cm3 ρcementita = 7,40 g/cm3

Transformação martensítica

Nos aços a transformação martensítica envolve uma súbita reorientação dos átomos de carbonoe ferro, passando de uma solução sólida austenítica (CFC) para uma solução sólida martensíticatetragonal de corpo centrado (TCC). Os círculos abertos representam átomos de ferro. Oscírculos sólidos representam átomos de carbono dissolvidos intersticialmente.

Transformação CFC-TCC: Aumento de volume=4,3% (linear=1,4%)

Fonte: SMITH, W.F.,1993.

MartensitaTransformação fora do equilíbrio termodinâmico

→ T.C.C. ↑ %C Transformação atérmica→ HRC ↑, ↑ %C

>0,4% Dureza apreciávelCritérios: → %C ↑

→ Velocidade de Resfriamento ↑

→ Maioria dos aços: 0,5 – 1,4 %C< 0,2 %C → C.C.C.> 0,2 %C → T.C.C.

T<220°C

Micrografia mostrando a martensita comomicroconstituinte. As agulhas são demartensita, enquanto a fase de coloraçãobranca representa a austenita que nãosofreu a transformação.

MartensitaTransformação fora do equilíbrio termodinâmico

Autenita retida x teor de carbono

Fonte: SMITH, W.F.,1993.

Bainita

550 – 350 ºC → Bainita Superior.

350 – 250 ºC → Bainita Inferior.

*Fe3C ou carboneto ε; C = 8,4% e não 6,7% Fe3C;Carboneto ε; < 300ºC; Hexagonal; Fe3C → ortorrombico.

α

Fe3C *

α

Fe3C*55º

Transformação fora do equilíbrio termodinâmico

Transformações aço eutetóide

Representação esquemática dodiagrama de transformaçãoisotérmica de uma aço eutetóide.


Efeito da velocidade de resfriamento

Efeito da velocidade deresfriamento sobre amicroestrutura de um açoeutetóide.

Fatores que influenciam na posição das curvas TTT

Composição química;

Tamanho de grão;

Homogeneidade da austenita.

Composição química:

Todos os elementos de liga adicionados aos aços(inclusive o carbono), exceto o Co, deslocam as curvasde início e fim de transformação para a direita, isto é,retardam a transformação;

Al; Si; Ni; Zr; Cu e P dissolvem-se na ferrita formando solução sólida no resfriamento;

Ti; V; Nb; Mo; W; Cr e Mn são formadores de carbonetos.


Mn e C x Formação da Martensita

Influência do manganês e do carbono sobre a temperatura Mi de início de formação de martensita.


Cr e C x Formação da Martensita

Influência do cromo e do carbono sobre a temperatura Mi de início de formação de martensita.



Tamanho de grão

Quanto maior o tamanho de grão mais para a direita são deslocadas as curvas de início e fim de transformação.

Maior tamanho de grão facilita a transformação martensítica, porém com prejuízos.

Efeito do tamanho de grão sobre a reação de transformação da austenita; nota-se que o grão menor apresenta reação completa, ao passo que no maior, cujo início da reação coincidiu com o do menor, a mesma não se completou.

Tamanho de grão x Transformação da austenita


Cálculo do tamanho de grão

(ASTM - American Society for Testing and Materials)

12 nNN: Número de grãos por pol2 ou mm2

n: Número ASTM

Ex: Aço 100 X aumento, N = 256 grãos/pol2, n =?

ASTMn

n

n

N

n

n

9

)301,0)(1(408,2

2log)1(256log

2256

2

1

1

N = 256 grãos/pol2; N = 4096 grãos/mm2

Tamanhode grão ASTM

Padrão estabelecido pela ASTM para tamanho de grão dos aços.

Influência do tamanho de grão austenítico sobre certos característicos dos aços

PROPRIEDADES

TENDÊNCIAS NOS AÇOS TEMPERADOS

Aços de Austenita

Grosseira

(nº 5 e acima)

Aços de Austenita

Fina

(mais fina do que

nº 5; de 5 a 8)

Endurecibilidade Endurecimento

mais profundo

Endurecimento

menos profundo

Tenacidade à mesma dureza Menos tenazes Mais tenazes

Empenamento Maior Menor

Fissuras de têmpera Mais freqüentes Geralmente ausentes

Fissuras de retificação Mais susceptíveis Menos susceptíveis

Tensões residuais Maiores Menores

Austenita retida Mais Menos

NOS AÇOS RECOZIDOS E NORMALIZADOS

Usinabilidade (Desbaste) melhor (Desbaste) inferior

Usinabilidade (casos especiais) (Acabamento fino)

inferior

(Acabamento fino)

superior

Trabalhabilidade (casos especiais) Superior Inferior


Homogeneidade da austenita:

Uma menor homogeneidade da austenita resulta em uma maiorquantidade de carbonetos residuais e a formação de áreaslocalizadas ricas em carbono. Conseqüentemente, as curvas deinicio e fim de transformação são deslocadas para a esquerda,isto é, mais rápida a formação de perlita. Os carbonetos atuamcomo núcleos para a formação da perlita.

Propriedades mecânicas dos aços

Concentração de carbonoem função de propriedadesmecânicas

Fonte: CALLISTER, W. D., 2002.

Concentração de carbonoem função de propriedadesmecânicas



Variação do teor de carbonoe microestrutura em funçãoda dureza



Subresfriamento x Transformações da austenitaPossíveis transformações envolvendoa decomposição da austenita. Setassólidas, transformações envolvendodifusão. Setas tracejadastransformações com pouca difusão.


Tratamentos térmicos dos aços

Conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que são submetidosos aços sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera evelocidade de esfriamento com o objetivo de alterar as suas propriedades ouconferir características específicas.

Principais objetivos dos tratamentos térmicos: Remoção de tensões internas; Aumento ou diminuição da dureza; Aumento da resistência mecânica; Melhora da ductibilidade; Melhora da usinabilidade; Melhora da resistência ao desgaste; Melhora das propriedades de corte; Melhora da resistência a corrosão; Melhora da resistência ao calor; Modificação das propriedades elétricas e magnéticas.


Fatores que influenciam nos tratamentos térmicos:

Aquecimento;

Tempo de permanência;

Resfriamento;

Atmosfera do forno.

Seção x Velocidade de resfriamento

Tempo

Representaçãoesquemática doefeito da seção deuma peça sobre avelocidade deesfriamento emágua.


Seção x Velocidade de resfriamento

Representação esquemática do efeito da seção da peça sobre a velocidade de esfriamento em meios diferentes.


Velocidades rel. de resf. em diversos meios

Meio de resfriamento Velocidade relativa de

resfriamento para diâmetros de:

1” 2” 3”

O mais drástico (teórico) 1,23 0,30 0,14

Água em agitação 1,00 0,27 0,13

Óleo em agitação 0,40 0,18 0,093

Corrente de ar 0,032 0,0157 0,0102

Ar tranqüilo 0,0152 0,0075 0,0048

Movimentação x Velocidade de resfriamento

Estado do meio de resfriamento Óleo a 60ºC Água a 20ºC Salmoura a 20ºC

Nenhuma circulação do líquido

ou agitação da peça

0,2 1,0 2,0

Circulação ou agitação moderada 0,3 1,1 2,1

Boa circulação 0,4 1,4 -

Circulação forte 0,6 1,8 -

Circulação violenta 1,0 4,0 5,0

Efeito do movimento do meio de resfriamento sobre a velocidade de resfriamento.

Atmosferas de TT

Gases

Porcentagem usualmente presente nas atmosferas

Porcentagem desejada

para evitar descar-

bonetação

Reações Tipo de reação Observações

Óxido de carbono

(CO)Até 34% 10 a 34%

2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 Levemente carbonetante

O CO é desejável nas atmosferas dos fornos porque compensa a

contaminação por parte de traços de CO2 , vapor de água ou oxigênio.CO + FeO → Fe + CO2 Levemente

redutora

Anidrido carbônico

(CO2)Até 15% 0%

CO2 + Fe3C → 3Fe + 2CO Fortemente descarbonetante

Deve-se eliminar totalmente o CO2 das atmosferas dos fornos. Traços de CO2

podem ser compensados pela presença de CO e metano.CO2 + Fe → FeO + CO Oxidante

Vapor

de água

(H2O)

Até 22% Abaixo de 0,09%

H2O + Fe3C → 3Fe + CO + H2 Fortemente descarbonetante

Deve-se eliminar completamente o vapor de água das atmosferas dos fornos. Traços de vapor de água

podem ser compensados pela presença de CO e metano.

H2O + Fe → FeO + H2 Oxidante

Hidrogênio

(H2) 0 a 40% 3 a 20%

H2 + FeO → Fe + H2O Fortemente redutora

Ainda que o hidrogênio seja desejável em certas aplicações, geralmente deve ser mantido baixo por formar vapor de

água ou descarbonetar.2H2 + Fe3C → 3Fe + CH4 Descarbonetante


Tratamentos térmicos volumétricos:

Têmpera e revenido;

Recozimento;

Normalização;

Coalescimento;

Solubilização e precipitação;

Recristalização;

Austêmpera e martêmpera.


Tratamentos térmicos superficiais:

Têmpera superficial;

Cementação;

Nitretação.


Têmpera e Revenido:

Têmpera: Consiste no resfriamento rápido do aço de umatemperatura superior a sua temperatura crítica (mais ou menos50ºC acima da linha A3 para os aços hipoeutetóides e 50ºC acimade A1 para os aços hipereutetóides) em um meio como óleo, água,salmoura ou mesmo ar. O objetivo da têmpera é a obtenção demartensita que confere elevada dureza aos aços.

Teor de C x Temperatura de TT

t = 1,5 e (mm) [min]

Transformações na têmpera e no revenido

Diagrama esquemático de transformação para têmpera e revenido.




Revenido:

É o tratamento térmico que normalmente sempre acompanha atêmpera, pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos poresta.

Além de aliviar ou remover tensões internas, corrige as excessivasdurezas e fragilidade do material, aumentando sua ductilidade eresistência ao choque.


Transformações durante o revenido em geral: 25-100ºC: segregação de carbono em discordâncias, pouco afeta a dureza; 100-250ºC: 1º estágio de revenido- precipitação do carboneto ε e a dureza

começa a diminuir (60 HRC); 200-300ºC: 2º estágio de revenido - transformação da austenita retida em

bainita (dureza continua a diminuir); 250-350ºC: 3º estágio de revenido - formação de trostita (perlita muito fina

dureza ~ 50 HRC); 400-600ºC: recuperação da estrutura de discordâncias – os aglomerados de

carbonetos, cementita, tornam-se arredondados mantendo-se uma estrutura deferrita fina acicular (dureza entre 45-25 HRC). Esta estrutura é tambémchamada de sorbita;

500-600ºC: aços ligados (Ti, Cr, Mo, V, Nb, W), ocorre endurecimentosecundário (precipitação de carbonetos de liga- 4º estágio);

600-700ºC: recristalização e crescimento de grão – a cementita precipitadaapresenta forma nitidamente esferoidal e a ferrita forma equiaxial e a estruturaresultante é chamada de esferoidita: 5 – 20 HRC.


Fragilidade de revenido: T = 260-315ºC: Não se conhece bem a causa, mas pode ser atribuída a

uma precipitação de carbonetos em contornos de grão. Tal fragilidade édetectada no ensaio de impacto. Evita-se esta fragilidade resfriandorapidamente o material da temperatura de revenido.

Transformação da austenita retida: Revenido; Resfriamento subzero Temperatura menor que 0ºC (tensões

térmicas); Sazonamento Estocagem e tratamento térmico cíclico; Encruamento também não garante estabilidade; Envelhecimento similar ao revenido; Tensões devido a transformação γ martensíta;

Tensões térmicas devido a variação do volume entre o centro e asuperfície onde σ > σESC→ empenam; σ > σR→ fraturam.

Temperatura de revenido emfunção da dureza eresistência ao impacto deaço ABNT 1045.

Efeito da temperatura derevenido sobre a dureza e aresistência ao choque deum aço AISI/ABNT1045temperado evidenciando afaixa de temperatura onde afragilidade ocorre.




Temperabilidade ou endurecibilidade

Capacidade do aço endurecer ou a profundidade de endurecimento;

Avaliação da temperabilidade:

Método de Grossmann;

Método de Jominy.

Curvas de dureza para aços-carbono (SAE 1040):

a) resfriamento em óleo

b) resfriamento em água

Método Grossmann



Temperabilidade:Método de Grossmann



Dispositivo Jominy paradeterminação daendurecibilidade/temperabilidadedos aços.

Método Jominy

Φ = 1”

l = 4”

T = Tγ

Dureza: intervalos de 1/16 “

ÁguaFonte: CHIAVERINI, V. , 2005

Dureza em função davelocidade de resfriamento

Correlação entre a dureza eo resfriamento de um aço-carbono de composiçãoeutetóide.

Método Jominy

Cilindro temperado

Série de barrasΦ

Variação da dureza em ensaio Jominy em função da distância da extremidade em 1,6 mm.

Variações de dureza: método Jominy

Valores típicos de H

Estado de agitação do meio de

resfriamentoÓleo Água Salmoura

Nenhuma 0,25 a 0,30 1,0 2,0

Pouca 0,30 a 0,35 1,0 a 1,1 2,0 a 2,2

Moderada 0,35 a 0,40 1,2 a 1,3 -

Boa 0,4 a 0,5 1,4 a 1,5 -

Forte 0,5 a 0,8 1,6 a 2,0 -

Violenta 0,8 a 1,1 4,0 5,0

Propriedades mecânicas emfunção da temperatura derevenido.




Recozimento:

Objetivos:

Remover tensões devido aos tratamentos mecânicos;

Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade;

Alterar propriedades mecânicas;

Ajustar tamanho de grão;

Regularizar estrutura bruta de fusão;

Remover gases;

Definir a microestrutura.

Recozimento pleno: Para peçasgrandes

Diagrama esquemático de

transformação para recozimentopleno.



Recozimento isotérmico: Peças pequenas

Diagrama esquemático de transformação para recozimento isotérmico ou cíclico.

• Este tratamento pode serrealizado em caixa vedada, comgrandes quantidades depequenos componentes.

• Evita oxidação.

• Usado para estruturas mais uniformes, é um tratamento mais econômico.




Recristalização:

TR ≈ 0,5 Tf

Etapas:

Recuperação;

Recristalização primária;

Recristalização secundária

(crescimento de grãos).

Deformação plástica/encruamentoFonte: CALLISTER, W. D., 2002.


Solução e precipitação:

Fonte: VAN VLACK, L. H., 1984.

Alumínio Comercial – liga 6xxx

•Microestrutura de tarugo fundido de liga 6060 homogeneizado a 590ºC por 3 - 4 horas;•Matriz de alumínio, precipitados de Mg2Si e intermetálicos AlFeSi arredondados devido ao tratamento térmico:microestrutura favorável para extrusão e laminação.

Liga 6060: Si (0,30 – 0,60), Fe (0,10 – 0,30), Cu (0,1 máx.), Mn (0,1 máx.), Mg (0,35 – 0,60), Cr (0,05 máx.), Zn (0,15 máx), Ti (0,1 máx.), Outros (0,05 máx.), Total (0,15 máx.), Al (restante).


Esferoidização e Normalização:

Esferoidização: Aquecimento e resfriamento abaixo da linha críticaou abaixo e acima desta para obtenção de esferoidita. O objetivodeste tratamento térmico é melhorar a usinabilidade e adeformabilidade dos aços, principalmente os de elevado teor decarbono.

Normalização: Aquecimento a temperatura acima da crítica seguidade resfriamento ao ar. A normalização visa refinar a granulaçãogrosseira de peças fundidas ou em peças laminadas ou forjadas. Otratamento melhora também a uniformidade microestrutural. Éutilizado também como tratamento preliminar à têmpera e revenido.

Normalização

Diagrama TTTesquemático paranormalização.



NORMALIZADO RECOZIDO

C

(%)

σesc

(kg/mm2)σmax

(kg/mm2)A

(%) Φ

(%) Dureza

Brinell

σesc

(kg/mm2)σmax

(kg/mm2)A

(%) Φ

(%) Dureza

Brinell

0,01 18,0 31,5 45 71 90 12,5 29,0 47 71 90

0,20 31,5 45,0 35 60 120 25,0 41,0 37 64 115

0,40 35,5 59,5 27 43 165 31,0 52,5 30 48 145

0,60 42,0 76,5 19 28 220 34,5 67,0 23 33 190

0,80 49,0 94,0 13 18 260 36,5 80,5 15 22 220

1,00 70,0 106,5 7 11 295 36,5 75,5 22 26 195

1,20 70,0 107,0 3 6 315 35,5 71,5 24 39 200

1,40 67,0 103,5 1 3 300 35,0 69,0 19 25 215

Propriedades mecânicas de aços nos estados normalizado e recozido.


Austêmpera

Representação esquemática do diagrama de transformação para austêmpera

•Elevada resistência ao impacto e ductilidade comparado aos aços temperados e revenido.

•É um tratamento isotérmico para obtenção da bainita.

•Baixo nível de distorções e empenamentos.

•Processo alternativo a têmpera e revenido.

•Limitação: pequenas secções (3/8” ...) para aço carbono.



Martêmpera

Diagrama esquemático de transformação para martêmpera.

•Chamada também de têmpera interrompida ou têmpera modificada.

•Objetivo: diminuir distorções ou empenamento no resfriamento.

•Melhor controle dimensional

•Elevada resistência ao impacto comparado a têmpera convencional; RiC = 12 ft.ib; RiM = 28 ft.ib.



Propriedades mecânicas X TT

Tratamento térmico Dureza

Rockwell C

Resistência ao choque kgm.

Alongamento em 1” %

Resfriado em água e revenido

53,0 1,66 0

Martemperado e revenido 53,0 3,88 0

Austemperado 52,0 6,23 11

Propriedades mecânicas de aço 1095 submetidos a três tipos de tratamentos térmicos

Tratamentos Superficiais

Métodos de endurecimento superficial:

Tratamentos termomecânicos encruamento;

Tratamento químico, cromeação dura, revestimentos duros;

Tratamentos termoquímicos, cementação, nitretação, carbo-nitretação, etc...;

Têmpera superficial: Consiste em têmpera localizada resultando empropriedades e características típicas da martensita.

Têmpera superficial x total:

Obtenção de superfícies duras e resistentes ao desgaste em peças onde seriadifícil endurecimento completo.

Obtenção de propriedades superficiais não indicadas para toda seção dapeça;

Combinação de elevada resistência ao desgaste e dureza na superfície comductilidade e tenacidade no núcleo.

Têmpera Superficial

Processos usuais de têmpera superficial

Têmpera por chama;

Têmpera por indução.

Têmpera por chama:

Aquecimento rápido acima da temperatura crítica da superfície a serendurecida por meio de uma chama, seguindo-se um jato de água.

Têmpera por indução: O calor para aquecimento de uma peça pode ser gerado por indução

eletromagnética. Profundidade de endurecimento de até 13 mm podem serobtidas; Após têmpera as peças podem passar por um revenido a baixastemperaturas para alivio de tensões;

Têmpera por chama

Três métodos de aplicação do endurecimentosuperficial por chama. A figura superiorcorresponde ao método chamado“progressivo”, em que a chama é movida aolongo da área a ser endurecida; a figuracentral corresponde ao método “giratório’,em que a peça é feita girar; finalmente afigura inferior refere-se ao método “combinado”, em que tanto a peça como achama se movimentam.

Tratamentostérmicos dos aços


Têmpera por indução

Desenho esquemático representando atécnica de têmpera por indução; (A)aquecimento da peça; (B) resfriamentosubseqüente

Calor → P = i2 . R

R = resistência elétrica do aço

I = corrente induzida



Têmpera Superficial

Têmpera por chama X Têmpera por indução

Por ser aplicada a grandes peças, comograndes engrenagens matrizes e eixos, não épossível o uso de forno convencional. Aspeças tratadas apresentam elevadaresistência ao desgaste e a fadiga.

Aplicada a grande número de peças simétricas, como eixos, engrenagens, selos de válvulas

Aços recomendados para têmpera superficial:

Aços ao carbono (0,37 – 0,55%C) e eventualmente ligados quando sedeseja maior profundidade de endurecimento. Não se recomendaresfriamento em água, problemas de fissuração e empenamentos.Recomendam-se aços com granulação fina para o tratamento térmico.


Tratamentos termoquímicos

Cementação;

Nitretação.

Os tratamentos termoquímicos visam o endurecimento superficialdos aços, pela modificação parcial da sua composição químicae/ou da microestrutura (na superfície das peças tratadas). Oobjetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgastesuperficial ao mesmo tempo em que o núcleo permanece dúctil etenaz.

Cementação

Consiste na introdução de carbono na superfície do aço tal queapós têmpera a peça tratada apresenta superfície dura.

Temperatura de tratamento térmico geralmente entre 900 – 950ºC Fe γ. Oteor de carbono da superfície pode atingir até 0,8 ou 1,0 % C e a profundidadeda camada de até ~ 3,5mm;

Cementação é um fenômeno de difusão que pode ser feita em aços contendo0,1 – 0,2% C. Temperaturas podem alcançar 1100ºC;

Aplicações: engrenagens, buchas, eixos e peças que como estas necessitem deelevada resistência ao desgaste e tenacidade. Peças com superfície dura eresistente ao desgaste com núcleo dúctil de elevada tenacidade são obtidas.

Nos aços ligados os elementos comuns são: Ni (0,5 - 3,5%), Cr (0,4 - 1,4%),Mo (0,1 – 0,3%). Aços contendo (0,1 - 0,3% S) MnS elevadausinabilidade.


Cementação

Curvas mostrando a influência dotempo e da temperatura naprofundidade de cementação eengrenagem cementada.

Tratamentos termoquímicosFonte: CHIAVERINI, V. , 2005


Cementação

Fatores que influenciam a velocidade de difusão (enriquecimento) de C na superfície dos aços:

Teor inicial de carbono; Coeficiente de difusão do carbono no aço; Temperatura; Concentração de carbono na γ; Natureza do agente carbonetante; Velocidade de fluxo do gás.

tDX .X = espessura da camada;

D = coeficiente de difusão;

t = tempo.


Fonte: VAN VLACK, L. H., 1984.

Cementação

Gradiente de carbono, em cementação durante 4 horas a 1050ºC com etilene.

•Resfriamento rápido após cementaçãoresulta em gradiente suave de concentraçãode carbono.

•Resfriamento lento na faixa de temperaturaentre 800ºC e 650ºC provoca gradienteelevado de concentração de carbono já quemuito CO2 é produzido o que resulta emdescarbonetação.



Cementação

Profundidade de cementação obtida em aço AISI 4615, em função da temperatura.

•Não superar os 1,15%C: formação derendilhado de Fe3C em contorno de grãoresultando em fragilização.



Cementação

Reações fundamentais da cementação:

2CO + 3Fe ↔ Fe3C + CO2

ou

CH4 + 3Fe ↔ Fe3C + 2H2

Introdução de carbono Remoção de carbono


Cementação

Curvas representativas do equilíbrio demisturas de CO e CO2 com aços de diferentesteores de carbono. Verifica-se, por exemplo,que quando se concede tempo suficiente paraser atingido o equilíbrio, um gás com 90% deCO e 10% de CO2, a 815ºC carbonetará umaço de baixo carbono até 0,80%C, mas nãomais. A 870ºC, esse gás carbonetará o açoconsiderado somente até 0,40%. Com umatemperatura de cementação de 925ºC, parater-se nesse aço uma camada cementada decomposição hipereutetóide, a composição dogás deve ser 97% de CO ou mais, com 3% deCO2 ou menos.



Cementação

Processos de cementação:

Cementação sólida ou em caixa;

Cementação gasosa;

Cementação líquida.

Cementação sólida – Reações:

C + O2 → CO2

CO2 + C → 2CO

3Fe + 2CO → Fe3C + CO2Substância a base de C, carvão de madeira

Ciclo se repete

Ativador: P/aumentar a vel. de formação do CO, usa-se BaCO3 (5–20%, 5–10% de óleo comum)

BaCO3 → BaO + CO2

CO2 + C → 2CO

BaCO3 + C ↔ BaO + 2CO

BaO + CO2 ↔ BaCO3

ou


Tratamentos térmicos de cementaçãoResfriamento ao ar Mais comum

Direta

Representação esquemática dos vários tratamentos de têmpera para os aços cementados. Têmpera simples (A, B e C) – Consiste em têmpera, depois das peças cementadas terem resfriado ao ar.

•Normalmente não se revine as peças cementadas e temperadas, faz-se, eventualmente, um alívio de tensões (135 – 175 ºC).

•Aplicações: engrenagens, eixos, buchas...


Nitretação

É um tratamento de endurecimento superficial causado pela introdução de nitrogênio e formação de nitretos.

Objetivos: Obtenção de elevada dureza superficial;

Elevada resistência ao desgaste;

Elevada resistência a fadiga;

Elevada resistência a corrosão;

Elevada resistência superficial ao calor até as temperaturas de nitretação.

Características do processo: Temperaturas de tratamento: 500 – 560ºC;

Baixa suscetibilidade de empenamento;

Não há necessidade de tratamento térmico posterior o que diminui as possibilidades de empenamentos ou fissuração.


Nitretação

Tipos de nitretação: Gasosa;

Líquida;

Ionitretação.

Aplicações da nitretação: Industria automobilística: braços de direção, virabrequins, anéis, engrenagens,

etc...

Matrizes de extrusão e de compactação.


Nitretação

Influência do tempo de nitretaçãoa gás sobre a espessura dacamada nitretada.

•Dureza: 1000 – 1100 Vickers

2NH3 → 2N + 3H2

Amônia

•Aços contendo Al, Cr, V, Moformam nitretos complexos.Antes da nitretação os açossão geralmente temperados erevenidos (aquelestemperáveis)!!



Nitretação

A dureza, se não muito elevada, aumenta a resistência ao desgaste.

Camada branca FeN e Fe3C (5 - 15μm)

Penetração do carbono e do nitrogêniona superfície de aço com 0,15%Csubmetido à nitretação líquida.



Nitretação

Profundidade de nitretação obtidaem alguns aços submetidos ànitretação líquida a 570ºC. Nota-se a influência do teor decarbono: a profundidade depenetração é tanto menor, quantomaior o teor de carbono.



Nitretação

Resultados comparativos obtidosem ensaios de desgaste aos quaisforam submetidos corpos de provade aço com 0,15% de carbono,não tratados e nitretados embanho de sal durante 90 minutos.



Nitretação

Gráfico mostrando o aumento do limite de fadiga,obtido em aços com 0,15% de carbono, submetidosà nitretação líquida. A curva base corresponde aaço não tratado, o qual, submetido a uma carga de25 kg/mm2, rompeu depois de 10 milhões deflexões alternadas: a curva (1) corresponde a açonitretado a 600ºC, durante 30 min. e esfriado emsalmoura; a curva (2), a aço nitretado a 570ºC,durante 90 min. e esfriado em banho de sal; acurva (3), a aço nitretado a 570ºC, durante 90 min.e esfriado ao ar; finalmente, a curva (4), a açonitretado a 570ºC, durante 90 min. e esfriado emsalmoura. Nota-se a vantagem do esfriamento emsalmoura, após a nitretação.



universidade federal de santa catarinaƒo... · nos aços a transformação martensítica envolve...

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