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Universidade Federal do Pará

Curso de Especialização em Construção Naval

Professor: Jorge Teófilo de Barros Lopes

Módulo: Materiais Aplicados à Indústria Naval

PATRIOCÍNIOAPOIO PARCEIROSREALIZAÇÃO

Curso de Especialização em Construção NavalDisciplina - Prof. º

Curso de Especialização em Construção NavalMateriais Aplicados à Indústria Naval – Prof. Jorge Teófilo de Barros Lopes


Ementa

I. Tipos de materiais empregados na construção naval, ligas ferrosas,aço carbono, aço para construção mecânica, aços liga, ferros fundidose aços ferramenta.

II. Diagrama de fase e diagrama TTT.

III. Temperabilidade e tratamentos térmicos (Influência dos tratamentosnas propriedades)

IV. Ligas não ferrosas: alumínio, cobre, magnésio, zinco, ligas antifricção.

V. Revestimentos metálicos

VI. Materiais poliméricos.

VII. Materiais conjugados

VIII. Critério de seleção de materiais.

IX. Comportamento de materiais sob a ação de cargas: estáticas,dinâmicas e impulsivas. Comportamento de materiais frente aelevadas temperaturas

X. Proteção catódica – fundamentos e cálculos.

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Objetivo

✓ Fornecer informações técnicas diversas sobre osprincipais materiais metálicos e não metálicosutilizados em construções de natureza naval, as quaispromoverão uma adequada seleção desses materiaisna fabricação ou substituição de componentessubmetidos a algum tipo de solicitação mecânica emdeterminado meio.




Avaliação

✓ Prova Escrita - conteúdo apresentado em sala de aula e nas referências bibliográficas

✓ Trabalho final (Seminário em grupo) - Ligas de alumínio, cobre, magnésio, zinco, antifricção e aços ferramentas.

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Referências bibliográficas

• CALLISTER JR, Willian D. Ciência e Engenharia dos Materiais. Riode Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos Ltda., 2012.

• ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. 1.ed. São Paulo: Cengage Learning, 2008.

• SHACKELFORD, James F. Ciência dos materiais. 6.ed. São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall, 2008.

• COSTA E SILVA, André L. V.; MEI, Paulo R. Aços e ligas especiais. 2.ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher, 2006.

• GENTIL, V. Corrosão. 3.ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos S.A., 1996.

• FERRANTE, Maurizio. Seleção de materiais. 3.ed. São Carlos: Editora da UFSCar, 2013.




Referências bibliográficas

• BRESCIANI FILHO , E. Seleção de Materiais. São Paulo: UNICAMP,1986.

• CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 7.ed. São Paulo:ABM, 2005.

• COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns –Revista e atualizada. 4.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2008.

• ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e engenharia dos materiais.São Paulo: Cengage Learning, 2008.

• GENTIL, Vicente. Corrosão. 4.ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2003.

• GARCIA, A. et. Al. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: LTCEditora, 2000.

• NUNES, Laerce de Paula. Fundamentos de resistência à corrosão.Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2007.

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Contatos

E-mail: [email protected]

Fone: (91) 99982-8501

Blog: jorgeteofilo.wordpress.com




MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO

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➢ Introdução

✓ Vasta quantidade de materiais atualmenteexistente: cerca de 50.000/60.000 (FERRANTE,2013).

✓ Conhecimento das propriedades mecânicas dosmateriais, por exemplo, proporciona a escolha deum material específico, que junto com o processode fabricação mais adequado na transformação damatéria prima no bem utilizável, irão influir demaneira decisiva na parte econômica de umprojeto.





➢ Introdução

✓ O conhecimento dos materiais é uma ciência queestuda as suas composições, estruturas internas epropriedades, e também a regularidade de suasalterações sobre influência térmica, química oumecânica.

✓ Ciência dos materiais - não só revela a estruturainterna e as propriedades dos materiais, comotambém estabelece a dependência regular entreelas, determinando, ao mesmo tempo, acomposição ideal e o processo de fabricação domaterial para obter as propriedades desejadas.

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➢ Introdução

✓ O conhecimento dos materiais, portanto, auxilia nasua correta seleção para os diversos usos e nadeterminação das suas propriedades e qualidadestecnológicas.

✓ Seleção dos materiais - implica na observação demúltiplos critérios, algumas vezes conflitantes –Filosofia do compromisso.

✓ Objetivo da seleção de materiais: “O menor custo defabricação para uma dada qualidade industrialespecificada, quando se tem uma série de processosde fabricação e diversos materiais disponíveis”.





➢ Classificação dos materiais de construção

✓ Fundamentalmente, os materiais de construçãosão classificados em quatro grupos principais:metálicos, poliméricos, cerâmicos e compósitos ouconjugados.

✓ Outros dois grupos (CALLISTER, 2012):semicondutores e biomateriais - em função dogrande desenvolvimento de suas aplicações,respectivamente, nas áreas de eletrônica e decomponentes implantados no corpo humano(substituindo a matéria viva cuja função foiperdida).

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✓ Materiais metálicos:

• o mais importante grupo de materiais deengenharia.

• formados pelos metais puros e ligas metálicas.

• metais puros: raramente utilizados na indústria(poucas exceções - Cu e Zn, por exemplo)

• ligas metálicas: combinação entre dois ou maiselementos, onde pelo menos um é metal e osoutros podem ser metais ou não metais, desdeque o caráter metálico da liga seja mantido.






✓ Materiais metálicos:

• possuem estrutura cristalina - os átomos que osformam estão arranjados de maneira ordenada(célula unitária).

• são bons condutores térmicos e elétricos (emfunção das ligações metálicas).

• do ponto de vista mecânico, quase todos sãorelativamente resistentes, dúcteis e, na suamaioria, mantém essa resistência mesmo emaltas temperaturas.

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✓ Materiais poliméricos:

• na sua maioria consistem de cadeias molecularesorgânicas (carbono) de longa extensão.

• a resistência mecânica e a ductilidade dosmateriais poliméricos variam em grande escala.

• normalmente são péssimos condutores deeletricidade e de calor - utilizados frequentementecomo isolantes – de grande importância naconfecção de dispositivos e equipamentos eletro-eletrônicos.






✓ Materiais cerâmicos:

• Na sua maioria, definidos como materiaiscristalinos inorgânicos.

• a maioria apresenta alta dureza e elevadaresistência mecânica, mesmo em altastemperaturas (estabilidade); entretanto,normalmente são bastante frágeis.

• bons isolantes térmicos e alta resistência ao calor- muito importantes na construção de fornosusados na indústria metalúrgica.

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✓ Materiais compósitos:

• compostos de dois ou mais materiais, produzindopropriedades não encontradas nos materiais que oformam.

• a maioria consiste de um elemento de reforçoenvolvido por uma matriz constituída de resinaligante, com o objetivo de se obter característicasespecíficas e propriedades desejadas.

• geralmente, os componentes não se dissolvem um nooutro - podem ser identificados fisicamente por umainterface bem definida entre eles.





Material CaracterísticasConstituintes

típicos

MetálicosDúctil, elevada resistência mecânica, alta dureza, condutor térmico e elétrico, brilho, opaco.

Átomos metálicos e não metálicos

CerâmicosFrágil, isolante térmico e elétrico, alta estabilidade térmica, elevada dureza, transparentes em alguns casos.

Óxidos, silicatos, nitretos, aluminatos etc.

Poliméricos

Dúctil, baixa resistência mecânica, baixa dureza, flexível, baixa estabilidade térmica, transparente em alguns casos.

Cadeia molecular orgânica de comprimento elevado

CompósitosAlta relação resistência/peso, alta dureza etc.

Matriz + ligante

Quadro comparativo entre os principais materiais de construção


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Resistência representativa das várias classes de

materiais (adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2008).




LIGAS FERROSAS e

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

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LIGAS FERROSAS

➢ Definições e classificação geral

✓ Devido à grande participação na indústria das ligasmetálicas que contém ferro em suas composições,os materiais metálicos ainda podem sersubdivididos em:

• materiais ferrosos,• materiais não-ferrosos.

✓ Os materiais ferrosos (ligas ferrosas), por sua vez,podem ser classificados em:

• aços• ferros fundidos.




LIGAS FERROSAS


✓ Aço - liga ferro-carbono de baixo teor de carbono,contendo ainda impurezas e, em determinadoscasos, outros elementos adicionados como liga(PEDRAZA et al., 1979).

✓ Aço - ligas ferro-carbono que podem conterconcentrações apreciáveis de outros elementos deliga (CALLISTER, 2012).

✓ Em função disso, podem ser considerados doistipos fundamentais de aço: os aços-carbonocomuns e os aços-liga.

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LIGAS FERROSAS


✓ CALLISTER (2012) subdivide os aços, de umamaneira geral, como aços de baixa liga e aços dealta liga.

✓ No caso dos aços de baixa liga, ele ainda ossubdivide de acordo com a concentração decarbono em três grandes grupos: aços de baixoteor de carbono, aços de médio teor de carbono eaços de elevado teor de carbono.

✓ Portanto, a classificação adotada por CALLISTER(2012) obedece o seguinte quadro:




Esquema de classificação para ligas ferrosas (CALLISTER, 2012).

LIGAS FERROSAS

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LIGAS FERROSAS


✓ Ferros fundidos - ligas quaternárias de ferro,carbono, silício e manganês, que podem ainda teroutros elementos de liga destinados a melhorardeterminadas propriedades.

✓ O teor de carbono desses materiais varia entre 2,11 e6,67% (usualmente, entre 2,5 e 3,8%) e têm um baixoponto de fusão.

✓ Podem ser subdivididos nos seguintes tipos: ferrofundido cinzento, ferro fundido branco, ferro fundidomaleável, ferro fundido nodular e ferros fundidosespeciais.




LIGAS FERROSAS


✓ Ferro fundido cinzento - liga Fe-C-Si (%C > 2,0%p,%Si de 1,2%p a 3,0%p); apresenta C livre (lamelasou veios de grafita).

✓ Ferro fundido branco - %Si menor do que ocinzento; apresenta o C quase todo combinado(Fe3C).

✓ Ferro fundido maleável - apresenta a grafita naforma de rosetas, devido a um tratamento térmicoespecial (maleabilização) aplicado no ferro fundidobranco.

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LIGAS FERROSAS


✓ Ferro fundido nodular - apresenta a grafita naforma esferoidal, devido a um tratamento térmico(nobulização) aplicado na liga de ferro fundidocinzento.

✓ Ferro fundido especial - além dos elementosconsiderados normais, adicionam-seintencionalmente elementos como o níquel, ocromo, o molibdênio e outros, em quantidadesapreciáveis com o fim de obter uma melhoria dassuas propriedades.




LIGAS FERROSAS

➢ Sistema Ferro-Carbono

✓ Sistema de liga binário mais importante,constituído pelos materiais mais utilizados – aços eferros fundidos.

✓ O diagrama de equilíbrio de fases Fe-C permiteuma melhor compreensão dessas ligas e dostratamentos térmicos a que são submetidasnormalmente.

✓ Os diagramas de equilíbrio de fases mostram asestruturas que se formam sob condições deresfriamento LENTO (condições de equilíbrio).

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LIGAS FERROSAS


✓ O estado de equilíbrio para cada composição deuma liga (composição global – Co) é caracterizadopelo número de fases presentes, suas composiçõese as proporções de cada uma, e é uma função datemperatura e da pressão.

✓ Sistemas binários - efeitos da pressão não sãoconsiderados - normalmente são constituídosapenas de fases líquidas e sólidas (a variação dapressão tem um efeito desprezível na temperaturade equilíbrio – operações normalmente à pressãoatmosférica




LIGAS FERROSAS


✓ Os diagramas de equilíbrio de fases não indicam otempo necessário para que uma transformaçãoocorra.

✓ As taxas de resfriamento encontradas na práticaprovocam o surgimento de estruturas adicionaisnão previstas nestes diagramas.

✓ A seguir será estudado o diagrama de equilíbrio defases do sistema ferro-carbono, onde sãomostradas as diversas fases e reações invariantesque ocorrem no sistema Fe-C.

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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO Fe-Fe3C

Diagrama Fe-Fe3C (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003).




➢ Generalidades

✓ Diagrama de equilíbrio metaestável - o Fe3C podese decompor em Fe e C (grafita), se mantido emtemperatura elevada por muito tempo – nessecaso, o diagrama a ser estudado seria o diagramade equilíbrio estável (Fe-grafita).

✓ No caso dos aços, o Fe3C se forma ordinariamentee, por essa razão, é o diagrama Fe-Fe3C que seutiliza para prever as mudanças de fase nas ligasFe-C submetidas a variações lentas detemperatura.


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➢ Generalidades

✓ O diagrama Fe-Fe3C corresponde apenas à ligabinária Fe-C - aços comerciais contêm elementosresiduais oriundos dos processos de fabricação (P,S, Si e Mn, por exemplo), que em teores normaispouco afetam o diagrama.

✓ O diagrama Fe-Fe3C apresenta quatro fases sólidase três reações invariantes.

✓ Duas destas reações ocorrem na região dos aços(reações eutetóide e peritética) e uma na regiãodos ferros fundidos (reação eutética).





➢ Fases presentes

a) Fase α - Ferrita

• Solução sólida intersticial de carbono em ferro α -estrutura CCC.

• Solubilidade do carbono na ferrita - muito baixa,apenas alguns átomos de carbono poderão ocuparos sítios (tetraédricos) da estrutura CCC do ferro.

• Átomo de carbono (raio aparente = 0,0710 nm) x(raio do interstício = 0,0361 nm) → um átomo decarbono na rede da ferrita implica em fortedeformação na estrutura.


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➢ Fases presentes





➢ Fases presentes


• Resultado global – rede intensamente deformadana vizinhança do átomo intersticial - introduçãode outro átomo de carbono somente a longadistância do primeiro → solubilidadeextremamente baixa do carbono na ferrita.

• Solubilidade à temperatura ambiente = 0,008%p→ aprox. 1 átomo de C para 108 átomos de Fe,aproximadamente → separação média de cercade 100 átomos de Fe entre átomos intersticiais.


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➢ Fases presentes


• Solubilidade à temperatura de 727 °C = 0,0218%p(solubilidade máxima) → aproximadamente 1 átomode C para 103 átomos de Fe → separação média de10 átomos de Fe entre átomos intersticiais.

• Baixa solubilidade - menos resistente, mais macia edúctil das fases do aço.

• À temperatura ambiente apresenta limite deresistência na ordem de 340 MPa (35 kgf/mm2),alongamento de 70% e dureza Brinell entre 50 e 100.É ferromagnética à temperaturas inferiores a 768 °C.





➢ Fases presentes

b) Fase γ - Austenita

• Solução sólida intersticial de carbono em ferro γ -estrutura CFC.

• Átomos de carbono ocupam sítios octaédricos darede do ferro com estrutura CFC.

• Espaço vazio em cada sítio ainda é insuficiente paraacomodar o soluto sem que haja deformação darede.

• Solubilidade máxima (temperatura de 1146 °C) =2,11% em peso de carbono ou 8,7% em átomo decarbono.


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➢ Fases presentes


• Propriedades mecânicas, que dependem do teorde carbono, com maior variação.

• Geralmente macia e dúctil, embora menos que aferrita; é tenaz, tem limite de resistência entre 686e 980 MPa (70 a 100 kgf/mm2) e é não-magnética.


x → Sítios octaédricos (raio intersticial = 0,0522 nm)

0,3571 nm

x

x

xx





➢ Fases presentes


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➢ Fases presentes

c) Fase δ – Ferrita δ

• Semelhante à fase α – solução sólida intersticialde Carbono na fase - estrutura CCC deparâmetro maior, devido a temperatura maiselevada.

• Solubilidade do carbono pequena, masconsideravelmente maior que na fase α, devidoà temperatura elevada, atingindo 0,10%p decarbono a 1492 °C.





➢ Fases presentes

d) Carboneto de Ferro – Cementita (Fe3C )

• Reticulado cristalino - contém átomos de ferro e decarbono na proporção de 3 para 1.

• Estrutura cristalina ortorrômbica - doze átomos deferro e quatro de carbono por célula unitária → teorde carbono de 6,67%p.

• Parâmetros da célula unitária:

a = 0,4514 nm; b = 0,5080 nm e

c = 0,6734 nm.


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➢ Fases presentes

d) Carboneto de Ferro – Cementita (Fe3C )

• Cada átomo de C envolvido por 6 átomos de Feposicionados nos vértices de um prisma triangularlevemente distorcido.

• Distância entre os átomos de Fe e de C = varia de0,1970 a 0,2060 nm.

• Fase extremamente dura (aproximadamente 650HB) e frágil, com limite de resistência superior a1960 MPa (cerca de 200 kgf/mm2); éferromagnética em temperaturas abaixo de 210°C.





➢ Reação eutetóide do aços

• Envolve a formação simultânea de ferrita ecementita a partir da austenita com composiçãoeutetóide.

• Essa mistura é caracteristicamente lamelar e amicroestrutura resultante é denominada perlita.

• PERLITA - consiste de uma matriz de ferrita em quese encontram regularmente distribuídas placas decementita.

• Em condições próximas ao equilíbrio - proporçõesdefinidas: 87,5% de ferrita e 12,5% de cementita.


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γ0,77%C α0,0218%C + (Fe3C)6,67%C 𝑅𝑒𝑠𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜


• Reação de formação e frente de solidificação:




Perlita com aumento de 1500 x. Mistura lamelar de ferrita (matriz clara) ecementita (mais escura) (Adaptada de VAN VLACK, 1970).


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• PERLITA é um constituinte - apresenta aspectocaracterístico ao microscópio - pode ser distinguidaclaramente em uma estrutura composta de váriosconstituintes.

• Pode-se obter a formação de ferrita e cementitatambém por outras reações - a microestruturaresultante não será lamelar e, consequentemente,as propriedades do material serão diferentes.

• Apresenta propriedades mecânicas intermediáriasentre a ferrita (macia e dúctil) e a cementita (dura efrágil).






✓ Linhas de transformação no diagrama

• Linha A3 - representa as temperaturas nas quais a ferrita começa a se formar no resfriamento;

• Linha Acm - corresponde às temperaturas nas quais a cementita começa a se formar no resfriamento;

• Linha A1 - representa a temperatura eutetóide, na qual ocorre a formação da perlita;

• Linha A4 - representa as temperaturas nas quais a austenita começa a se formar no resfriamento.


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✓ Com relação à reação eutetóide, os aços resfriadoslentamente podem ser divididos em três categorias:

• aços hipoeutetóides – contendo < 0,77%p de C;

• aços eutetóides – contendo 0,77%p de C;• aços hipereutetóides – contendo > 0,77%p de C.

✓ Aços eutetóides: como a austenita apresenta acomposição eutetóide, uma única reação ocorrerá noestado sólido, na temperatura de transformação A1

(727 °C), a transformação eutetóide da austenita emperlita. Temperatura ambiente → Microestruturacompletamente perlítica.





Microestruturas contendo somente perlita (PUKASIEWICZ, 2003).Esquema das mudanças microestruturais no

resfriamento lento de um aço hipoeutetóide(Adaptada de CALLISTER, 2012).


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✓ Aços hipoeutetóides - durante o resfriamentolento de um aço hipoeutetóide ocorrerá aprecipitação de ferrita previamente à reaçãoperlítica (ferrita pró-eutetóide), iniciada ao cruzar alinha A3.


Temperatura ambiente ↓

Microestrutura = perlita + ferrita.




Microestrutura de dois aços hipoeutetóides

(PUKASIEWICZ, 2003).: (a) ≈ 0,20%C; (b) ≈ 0,45%C


Representação esquemática das

mudanças microestruturais durante o resfriamento

lento de um aço hipoeutetóide (Adaptada

de CALLISTER, 2012).

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➢ Reação eutetóide do aços:

✓ Aços hipereutetóides - no resfriamento lento deum aço hipereutetóide ocorrerá a precipitação decementita previamente à reação perlítica(cementita pró-eutetóide), iniciada ao cruzar alinha Acm.


Temperatura ambiente ↓

Microestrutura = perlita + cementita.





Representação esquemática das mudanças microestruturais durante oresfriamento lento de um aço hipereutetóide (Adaptada de CALLISTER,2012).

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Microestrutura de um açohipereutetóide. A cementitapró-eutetóide (clara) sedispões nas bordas dosgrãos de perlita (escura).





Representação esquemática das mudanças microestruturais durante oresfriamento lento dos três tipos de aço carbono.


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➢ Reação peritética dos aços

✓ A transformação peritética, ocorre na solidificaçãodos aços contendo até 0,54%p de carbono natemperatura de 1492°C, de acordo com a reação:

✓ O diagrama destaca que no resfriamento dessesaços, a 1492°C, ocorre uma reação isotérmica onde afase δ já solidificada, contendo 0,10%p C, combina-secom o líquido remanescente, contendo 0,54%p C,para produzir austenita com 0,18%p C.

γ0,18%CL0,54%C + δ0,10%Cresfriamento

1492°C





➢ Estado de equilíbrio

✓ Como mencionado anteriormente, o estado deequilíbrio para cada composição de uma liga(composição global – Co) é caracterizado pelonúmero de fases presentes, suas composições e asproporções de cada uma.

✓ Diagrama de equilíbrio binário - para uma dada ligade composição Co do sistema, pode-se determinara composição e a proporção de cada uma das fasesem equilíbrio na temperatura de interesse, pormeio da regra da horizontal e da regra da alavanca,respectivamente.

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➢ Estado de equilíbrio

✓Exemplo: aço 0,50%p C, temperatura ambiente

Fases e composição: (0,008%C - 99,992%Fe)Fe3C (6,67%C - 93,33%Fe)

Proporções: - 92,6%Fe3C - 7,4%

Microconstituintes: (0,008%C - 99,992%Fe)Perlita (0,77%C- 99,23%Fe)

Proporções: - 35,4%Perlita - 64,64%




➢ Reação eutética dos ferros fundidos

✓ No ponto eutético, o líquido com 4,3%p de C setransforma em austenita (γ) com 2,11%p de C e nocomposto intermetálico Fe3C (cementita), quecontém 6,67%p de C, na temperatura de 1148°C, deacordo com a reação:

✓ Essa transformação ocorre na área do diagrama Fe-Fe3C correspondente aos ferros fundidos; portanto,mais detalhes sobre ela serão vistos quando doestudo desses materiais.


L4,3%C γ2,11%C + (Fe3C)6,67%C Resfriamento

1148°C

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✓ Com relação à reação eutética, os ferros fundidos resfriados lentamente podem ser divididos em três categorias:

• ferros fundidos hipoeutéticos – contendo < 4,3%p de C;

• ferros fundidos eutéticos – contendo 4,3%p de C;

• ferros fundidos hipereutéticos – contendo > 4,3%p de C






✓ Ferros fundidos eutéticos

• Como o líquido apresenta a composição eutética,uma única reação ocorrerá na temperatura de1148 °C: a solidificação do líquido sob a forma doeutético denominado LEDEBURITA.

- LEDEBURITA: constituinte formado de pequenosglóbulos de austenita sobre um fundo decementita.


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✓ Ferros fundidos eutéticos

• A austenita, ao passar pela linha de 727 °C,transforma-se em perlita.

• Portanto, logo abaixo dessa temperatura e até atemperatura ambiente, ter-se-á ledeburita,constituída agora por glóbulos de perlita sobreum fundo de cementita, denominadaLEDEBURITA SECUNDÁRIA.






Ferro fundido eutético - Microestrutura formada por ledeburita(glóbulos de perlita em fundo de cementita).

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✓ Ferros fundidos hipoeutéticos

• O ferro líquido, com um teor de carbono inferiorao da composição eutética, ao cortar a linhaliquidus inicia a formação de austenita pró-eutética, até alcançar a temperatura de 1148 °C,na qual a quantidade remanescente do líquido, jácom a composição eutética (4,3%C), transforma-se em ledeburita.






✓ Ferros fundidos hipoeutéticos

• Com o prosseguimento do resfriamento, aaustenita, ao passar pela linha A1 (727 °C),transforma-se em perlita.

• A microestrutura dessas ligas na temperaturaambiente, portanto, será formada porLEDEBURITA SECUNDÁRIA e PERLITA.



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Ferro fundido hipoeutético -Microestrutura formada deledeburita e perlita (escura).

Ferro fundido hipereutético -Microestrutura formada deledeburita e cementita (clara).





Diagrama de fases Fe-Fe3C, mostrando asestruturas dos ferrosfundidos.

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INFLUÊNCIA DOSELEMENTOS DE LIGA

NOS AÇOS




➢ Propriedades mecânicas dos aços carbono

✓ Em princípio, as propriedades mecânicas dos aços-carbono são afetadas pelos seguintes fatores:composição química e microestrutura.

a) Composição química

• Nos aços carbono esfriados normalmente (atransformação da austenita se processa totalmente), ocarbono, à medida que tem o seu teor elevado,melhora as propriedades relativas à resistênciamecânica (limite de escoamento, limite de resistência àtração e dureza) e piora as propriedades relativas àductilidade e à tenacidade (alongamento, estricção eresistência ao choque) – formação de Fe3C.

INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

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Efeito do teor de carbononas propriedades mecânicasde aços carbono (ASKELAND& PHULÉ, 2003).





b) Microestrutura

• Inicialmente afetada pela composição química -dela depende a formação dos constituintes: ferritae perlita (aço hipoeutetóide), perlita e cementita(aço hipereutetóide) ou somente perlita (açoeutetóide).

• Entretanto, ela também depende também dosseguintes fatores: estado ou condição do aço, sobo ponto de vista de fabricação (fundido,trabalhado a quente ou a frio), tamanho de grãosausteníticos e velocidade de resfriamento.


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b) Microestrutura

▪ Estado fundido - o aço apresenta granulaçãogrosseira, do tipo dendrítica, pois a austenitase forma a altas temperaturas e o esfriamentodo interior dos moldes é muito lento.

▪ Estado trabalhado a quente (maioria dos aços)- como as operações de conformação a quentesão realizadas a temperaturas em que o aço seapresenta no estado austenítico, verificam-seas seguintes consequências:






- Homogeneização apreciável da estrutura, pelatendência de eliminar ou reorientar as inclusões esegregações que ocorrem durante a solidificação dometal no interior dos moldes;

- Destruição da estrutura dendrítica;

- Recristalização, com acentuada influência sobre otamanho de grão, que por sua vez depende dastemperaturas finais de deformação (geralmente, otrabalho a quente reduz o tamanho de grão).

Consequência: as propriedades mecânicas finais doaço trabalhado a quente são sensivelmentemelhoradas em relação às do material fundido.


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b) Microestrutura

▪ Estado trabalhado a frio (encruado) -característico de alguns dos mais importantesprodutos siderúrgicos (fios, fitas, chapas etc.) -os efeitos mais importantes do encruamentosão:

- aumento da resistência mecânica,

- aumento da dureza e

- diminuição da ductilidade.






Propriedade RecozidoEncruado

Redução 30%Encruado

Redução 60%Limite de escoamento (MPa) 240 515 665

Limite de resistência à tração (MPa) 400 555 675

Alongamento em 100 mm (%) 41,7 22,0 10,5Estricção (%) 65,8 58,0 43,0

Alguns valores de propriedades mecânicas de um aço com 1,4%p de Cem função do estado de fabricação (Adaptada de CHIAVERINI, 2002).


b) Microestrutura

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➢ Limitações dos aços carbono

• Não podem ser temperados e revenidos para altaresistência mecânica sem perda substancial datenacidade e da ductilidade.

• Baixa temperabilidade (em peças grossas é difícil obtermartensita em toda a seção) - para maior penetração datêmpera, torna-se necessário resfriamento severo, queinduz elevado nível de tensões residuais, aumentandoas distorções, empenamento e risco de trincas.

• Baixa usinabilidade (devido ao cavaco contínuo).

• Baixa resistência ao impacto a baixas temperaturas.

• Baixa resistência à corrosão e à oxidação.





➢Objetivos dos elementos de liga nos aços

(a) Aumentar a dureza e a resistência mecânica;

(b) Conferir resistência uniforme através de toda a seção empeças de grandes dimensões;

(c) Diminuir o peso (consequência do item a), de modo areduzir a inércia de uma parte em movimento ou reduzira carga-morta em um veículo ou em uma estrutura;

(d) Conferir resistência à corrosão;

(e) Aumentar a resistência ao calor;

(f) Aumentar a resistência ao desgaste;

(g) Aumentar a capacidade de corte;

(h) Melhorar as propriedades elétricas e magnéticas.


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• Itens (a), (b) e (c) – são alcançados, pois oselementos de liga aumentam a resistência mecânicada ferrita e formam ainda outros carbonetos, alémda cementita (Fe3C), contribuindo para a melhoriada resistência do aço.

- Geralmente, esse aumento de resistência éconseguido pela adição de um ou várioselementos de liga em teores relativamentebaixos (a sua soma não ultrapassa o valor de 5%em peso).






• Demais requisitos - são conseguidos pela adição doselementos de ligas em teores mais elevados,produzindo-se alterações mais profundas na ferrita,além de resultarem na formação de carbonetosmais complexos.

- Esses aços são mais difíceis de fabricar e tratartermicamente, de modo que são muitodispendiosos, mesmo porque alguns doselementos de liga utilizados são relativamentecaros.


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➢Distribuição dos elementos de liga nos aços

✓ Elementos de liga - modificam as propriedades dosaços por meio de alterações que introduzem na suaestrutura.

✓ A compreensão dessas modificações exige oconhecimento da forma segundo a qual cadaelemento adicionado vai se apresentar.

✓ Formas de apresentação: em solução sólida com oferro, ou dissolvido na cementita, ou formando umcomposto intermetálico com o ferro, ou formandoóxido ou outra inclusão não-metálica.





➢ Distribuição dos elementos de liga nos aços

✓ Observa-se que, embora um elemento não selocalize nunca em um único constituinte, cada umdeles manifesta, em geral, uma preferênciamarcada por um determinado constituinte.

✓ Vale observar, ainda, que a repartição precisa doselementos, em um caso concreto, depende daconcentração de outros e da história do material.

✓ Portanto, o que se tem é apenas uma previsão dastendências gerais de repartição dos elementos noaço.


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ElementoEm solução sólida

na ferritaCombinado em

carbonetosEm inclusões não metálicas

Em compostos intermetálicos

Ni

Si

Al

Zr

Mn

Cr

W

Mo

V

Ti

Nb

P

S

Ni

Si

Al

Zr

Mn

Cr

W

Mo

V

Ti

Nb

P

S (?)

-

-

-

-

Mn

Cr

W

Mo

V

Ti

Nb

-

-

-

SiO2

Al2O3

ZrO2

MnS, MnO

CrxO4

-

-

VxO4

TixO4

-

-

(Mn,Fe)S, ZrS

Ni3Si, Ni3Al

-

AlxNy

ZrxNy

-

-

-

-

VxNy

TiN4Cz, TixNy

-

-

-


Tendências gerais de distribuição dos elementos nos aços (BAIN & PAXTON,1961, apud PEDRAZA et al., 1979).




➢ Influência nas transformações alotrópicas do ferro

✓ No ferro puro as transformações alotrópicas γ ↔ δ(denominada A4) e α ↔ γ (denominada A3)ocorrem a temperaturas constantes, em torno de1400 °C e 910 °C, respectivamente.

✓ Introdução de um segundo elemento em soluçãocom o ferro - cada uma dessas transformaçõespassa a ocorrer em certo intervalo de temperatura,como determina a regra das fases.

✓ Segundo a natureza do soluto adicionado, pode serobservada a ocorrência de dois tipos de efeitos:


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Diagrama Fe-Fe3C (Adaptada de ASKELAND & PHULÉ, 2003).





✓ Efeitos:

a) Elevar a temperatura de transformação A4 ereduzir a A3, ampliando o domínio de existênciada fase γ (austenita) - tais solutos sãodenominados estabilizadores de austenita ougamagêneos ou austenitizantes.

b) Abaixar a transformação A4 e elevar atransformação A3, reduzindo o campo deexistência da austenita (fase γ) - tais solutos sãodenominados estabilizadores de ferrita oualfagêneos ou ferritizantes.


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• Elementos gamagêneos

• Tipo A-1: Ampliam de tal forma o domínio deestabilidade da fase γ, que para teores elevados desoluto, essa fase pode ser estável à temperaturaambiente, formando-se o que é chamado “campo γaberto”. Exemplos: Mn, Ni e Co.

• Tipo A-2: Ampliam de forma limitada o campo deestabilidade da fase γ (“campo γ expandido”), pois oscompostos ricos em ferro (ou as soluções sólidas noelemento de liga) tornam-se estáveis, ou seja, parateores elevados de soluto ocorre o aparecimento deuma segunda fase. Exemplos: Cu, Zn, Au, N e C.






Campo γ aberto Campo γ expandido

• Elementos gamagêneos

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• Elementos alfagêneos

• Tipo B-1: Reduzem o domínio de estabilidade da fase γe, finalmente, a suprimem, formando-se um “campo γfechado”; acima de um certo teor de soluto, a liga podese encontrar sob a forma α em todas as temperaturas.Exemplos: Si, Cr, W, Mo, P, V, Ti, Be, Sn, Sb, As e Al.

• Tipo B-2: – Ocorre também uma concentração docampo γ, mas a solubilidade restrita do elemento deadição gera o aparecimento de compostosintermetálicos ou soluções sólidas que interrompemesse processo (“campo γ contraído”). Exemplos: Ta, Zr,B, S, Ce e Nb.






Campo γ fechado Campo γ contraído

• Elementos alfagêneos

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• Comportamento especial do CROMO

- Com teores entre 7 a 8% reduz a faixa detemperatura de transformação A3 (α ↔ γ), mascom aumentos ulteriores verifica-se o contrário.

- Entretanto, o abaixamento da temperatura detransformação A4 (γ ↔ δ) na faixa de 8%Cr é maisrápido do que o da transformação A3 (α ↔ γ).

- Dessa forma, pode-se, de fato, afirmar que ocromo estreita uniformemente a faixa deestabilidade da austenita.





➢ Influência nas linhas de transformações do diagrama

✓ A ação dos elementos de liga sobre as linhas detransformação do diagrama Fe-Fe3C pode ser encaradasob os três aspectos seguintes:

(a) efeito sobre a composição eutetóide,

(b) efeito sobre a temperatura eutetóide, e

(c) efeito sobre o campo austenítico.

• Efeitos (a) e (b): os elementos de liga analisados nafigura tendem a diminuir o teor de carbono doeutetóide, ao passo que só o níquel e o manganêstendem a diminuir a temperatura eutetóide; todos osoutros elementos apresentam tendência oposta.


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Influência dos elementos de liga sobre o teor de carbono e a temperatura do eutetóide (CALLISTER, 2012).






• Efeito (c):

- Verifica-se que o Mn, em teores crescentes,reduz a temperatura eutetóide, além dediminuir o teor de carbono desse constituinte;um teor adequado de manganês poderá, porexemplo, produzir estrutura inteiramenteperlítica somente com aproximadamente0,3%pC.

- O Cr, o Mo e o Si comportam-se de modocontrário ao manganês, no que se refere àinfluência sobre a temperatura eutetóide.


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• Efeito (c):

- Quanto à influência sobre o teor de carbono doeutetóide, a tendência é idêntica à do manganês.

- Todos esses elementos, portanto, com exceção domanganês, contraem o campo austenítico,tendendo a formar o aço quase que inteiramenteferrítico.

- Essa propriedade de certos elementos de liga, deproduzirem uma estrutura eutetóideapresentando um teor de carbonocomparativamente baixo, é muito importante.






• Efeito (c):

- De fato, a liga eutetóide possui grande resistênciamecânica.

- Como a dureza e a fragilidade crescem com aporcentagem de cementita, é evidente que se forpossível a obtenção de uma estrutura resistente,inteiramente perlítica, mediante a introdução deelementos de liga em um aço com menor teor decarbono, essa estrutura será também mais maciae menos frágil (mais tenaz do que a estruturasemelhante em um aço carbono comum).


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Influência dos elementos de liga no campo austenítico do diagrama Fe-C.




➢ Diagramas de equilíbrio pseudobinários

✓ No caso de uma liga ternária, às vezes fica mais fácilconstruir e interpretar um diagrama considerando-seum dos componentes fixos → diagramaspseudobinários.

✓ Tem-se como referência o diagrama binários - adiciona-se vários teores do elemento de liga para ver ainfluência destes nas linhas de transformação das fases,principalmente no que se refere ao ponto eutetóide.

✓ No diagrama apresentado (Fe-C-Cr), conforme aumentao teor de cromo no aço, o teor de carbono dacomposição eutetóide diminui progressivamente, e atemperatura do eutetóide também se altera.


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Pseudobinários no

diagrama Fe-Cr-C

(Adaptada de VAN

VLACK, 1970).




DIAGRAMAS TTT

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➢Microestruturas dos aços

✓ As microestruturas dos aços podem ser originadas apartir de três tipos de transformações: difusionais, nãodifusionais ou mistas.

• Transformações difusionais: ocorrem no estadosólido e dependem tanto do tempo quanto datemperatura. Exemplos: transformação eutetóide etransformação ferrítica.

• Transformações não difusionais: transformações noestado sólido que dependem fundamentalmente datemperatura. Exemplo: Transformação martensítica.

• Transformações mistas: envolvem os dois tiposanteriores. Exemplo: Transformação bainítica.

DIAGRAMAS TTT





✓ Ferrita

• Com o resfriamento lento a ferrita pró-eutetóideforma-se a partir da austenita entre 910 °C e 727°C, e a ferrita eutetóide (forma lamelar na perlita)ao atingir 927 °C.

• Em outras condições de resfriamento a ferrita podese formar a partir de temperaturas mais baixas, epode apresentar até quatro morfologias: ferritaalotriomorfa de contorno de grão, lamelas ou ripasde Widmänstatten, idiomorfos intragranular elamelas intragranulares.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Ferrita• Lamelas ou ripas de Widmänstatten (ferrita de

Widmänstatten): são lamelas que nucleiam noscontornos de grãos austeníticos, mas crescem aolongo de planos bem definidos da matriz.

DIAGRAMAS TTT

Ferrita acicular (áreas claras)de um aço com 0,2%p C(FREITAS, 2014).





✓ Cementita

• A classificação dos cristais nucleados decementita a diferentes temperaturas ésemelhante à da ferrita.

• O desenvolvimento inicial é de grãos equiaxiaisnos contornos de grãos austeníticos (cementitapró-eutetóide);

• a redução da temperatura favorece ocrescimento de cementita na forma de lamelasou ripas (cementita eutetóide).

DIAGRAMAS TTT

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✓ Perlita

• Morfologia da perlita - dependendo datemperatura de transformação, a perlita pode serde duas formas: perlita grossa ou perlita fina

• Perlita grossa - perlita de maior tamanho degrão e com lamelas de maior espessura – ocorrepara resfriamentos próximos à temperaturaeutetóide (de austenitização), onde sãoverificadas baixas taxas de nucleação e altas taxasde difusão .

DIAGRAMAS TTT





✓ Perlita

• Perlita refinada - perlita de menor tamanho degrão e com lamelas de menor espessura – ocorreem temperatura de transformação mais baixa -ao reduzir-se a temperatura de transformação,aumenta-se gradativamente a taxa de nucleaçãoe reduz-se a taxa de difusão, resultando emestruturas mais refinadas.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Perlita

DIAGRAMAS TTT

Microestruturas da perlita grossa (esquerda) e perlita fina (direita).





✓ Martensita• As transformações de fases que envolvem a

formação de ferrita e de cementita e,consequentemente, também da perlita, dependemdo movimento dos átomos por difusão(transformações difusionais).

• Essas transformações são caracterizadas, sob oaspecto do comportamento dos átomos individuais,como transformações “civis”, em que os átomos deuma fase atravessam, individualmente e de formanão coordenada a interface entre as fases,reorganizando-se na nova estrutura cristalina.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

• Essas transformações são também chamadas dereconstrutivas - os átomos, ao atravessarem ainterface, constroem uma nova fase, commovimentos superiores a uma distância atômica.

• Entretanto, mesmo quando não existem condiçõespara que a organização dos átomos ocorra peladifusão e movimentos significativos dos átomos,através de uma interface, é possível que as ligas deferro se reorganizem em estruturas de menorenergia do que a austenita.

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

• Essas transformações ocorrem normalmente emcondições em que a difusão não mais atua de formasignificativa (temperaturas baixas) e, portanto, nãoestão associadas à mudança de composiçãoquímica, somente à mudança de estruturacristalina.

• Nos aços e em outras ligas Fe-C, a transformação daaustenita em martensita tem exatamente a mesmacomposição da austenita que lhe deu origem (até2,11% C, dependendo da composição da liga).

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

• Nas transformações em condições de baixamobilidade dos átomos é frequente o movimentoordenado destes - transformações “militares” ou“displacivas”, por causa do movimento coordenadode deslocamento dos átomos.

• Como o processo é não difusional (resfriamentorápido), os átomos de carbono não podem sedistribuir entre a ferrita e a cementita, e ficamaprisionados nos sítios octaédricos da estruturaCCC (ferrita), produzindo uma nova fase.

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

• Com o resfriamento rápido, a solubilidade docarbono na estrutura CCC é excessivamenteexcedida (solução sólida supersaturada).

• A solubilidade excessiva provoca uma distorçãoneste reticulado, o qual assume nova geometria,a tetragonal de corpo centrado (TCC) - célulaunitária com o parâmetro “c” (altura da célula)maior que o parâmetro “a” da base.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

• Dentre as várias maneiras de visualizar astransformações “displacivas” que podemconduzir a estrutura da austenita (CFC) a umaestrutura TCC, a mais comumente aceita é adistorção de Bain (figura).

• A estrutura TCC pode ser visualizada como umadistorção da estrutura CCC em que o parâmetroda rede na direção [001] não é igual aoparâmetro das direções [010] e [100].

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

Representação da correspondência entre as redes CFC da austenita e TCC da martensita (Adaptada de BRADESHIA, 2001).

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✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

Células unitárias mostrando a martensita da liga Fe-C obtida por meio de umresfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, relacionandocom o processo de saída do carbono de dentro da célula CFC para formar umacélula TCC.





✓ Martensita

• Quanto maior o teor de carbono na martensita maior onúmero de sítios intersticiais preenchidos, acarretandonum acréscimo da tetragonalidade da rede TCC (figura).

• A tetragonalidade pode ser medida pelo quociente c/aentre os parâmetros do reticulado TCC da martensita(equação), e aumenta com o teor de carbono(BRADESHIA; HONEYCOMBE, 2006).

DIAGRAMAS TTT

𝑐

𝑎= 1 + 0,045%𝑝𝐶

Para um teor nulo de carbonoa estrutura é CCC semdistorção (c = a).

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✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

%at C

0 0,95 1,90 2,85 3,80 4,75 5,70 6,65

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

%p C

3,02 ─

2,98 ─

2,94 ─

2,90 ─

2,86 ─

2,82

Ǻ

%at C

0 0,95 1,90 2,85 3,80 4,75 5,70 6,65

3,66 ─

3,62 ─

3,58 ─

3,54 ─

3,500 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

%p C

Ǻ

Efeito do carbono no parâmetro a da austenita e nos parâmetros a e c da martensita (Adaptadas de COHEN, 1962 apud HUALLPA, 2011).





✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

Dureza da martensita em

função do teor de carbono,

comparada com a dureza da

perlita obtida por

resfriamento ao ar (lento).

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✓ Martensita• A composição química da martensita formada é a

mesma da austenita (matriz) que a originou;

• A transformação á basicamente atérmica, isto é, aquantidade de austenita transformada depende datemperatura atingida e não do tempo em que omaterial é mantido na temperatura.

• Em função da variação de volume associada àtransformação de fase e ao mecanismo “displacivo”,a transformação ocorre com um nível elevado detensões residuais.

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

• A martensita apresenta uma única fase formadanos aços (também pode ocorrer nos ferrosfundidos), com estrutura cristalina e composiçãoquímica próprias, além de uma interface bemdefinida com outras fases, quando houverem.

• É metaestável - tende a retornar para um estadoestável ou de equilíbrio ao longo do tempo ouquando um agente externo atua, como atemperatura.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

• Neste caso, no aquecimento da martensita, osátomos de carbono aprisionados no cristal TCCganham mobilidade e se difundem, formandocarbonetos.

• O resultado é o alívio da estrutura, com adecomposição da martensita em uma misturade ferrita e cementita.

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

• A austenita é relativamente dúctil, pois os átomosde carbono se acomodam perfeitamente naestrutura do ferro gama (CFC) e não dificultam osdeslizamentos cristalinos quando o aço édeformado.

• Na martensita, no entanto, o ferro está numaforma alfa modificada pelo excesso de carbono,cuja presença dificulta as transformações plásticasa tal ponto, que elas se tornam praticamenteimpossíveis.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

• Portanto, a alta dureza da martensita estárelacionada:

▪ à capacidade dos átomos intersticiais decarbono de restringir o movimento dasdiscordâncias;

▪ ao número relativamente pequeno de sistemasde escorregamento para a estrutura TCC.

DIAGRAMAS TTT





✓ Martensita

• Morfologia: a martensita se revela ao microscópiode modo característico.

• Pode se apresentar na forma de ripas, placas ouem uma mistura de ambas, dependendo do teor decarbono do aço (figura - gráfico).

• Aços com teores de carbono até 0,6%p tendem aformar martensita por ripas; entre 0,6%p e 1,0%p,uma mistura de ripas e placas; e acima de 1,0%p,apenas por placas.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

Aspecto micrográfico da martensita.

Relação entre o teor de carbono e o tipo de martensita formada no aço (ZHAO NOTIS,

1995 apud HUALLPA, 2011)





✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

Martensita na forma de ripas e sua estrutura (MAKI; TSUZARA ; TAMURA, 1980 apud HUALLPA, 2011)

Micrografia da martensita na forma de ripas - Aço 4140

(KRAUSS, 1999 apud HUALLPA, 2011)

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✓ Martensita

DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Crescimento de placas de martensita com incremento

do resfriamento abaixo de Ms: (a) Crescimento da placa interrompido pelo contorno de grão; (b) Propagação da martensita (PORTER; EASTERLING, 1982 apud HUALLPA,

2011)

Microestrutura de martensita em placas com

microtrincas – liga Fe-1,86%pC (KRAUSS, 1999

apud HUALLPA, 2011)





✓ Martensita

• Em geral a estrutura martensítica em ripas estáassociada com alta dureza e ductilidade, porémmenor resistência mecânica.

• As estruturas martensíticas em placas têm altaresistência mecânica, mas não são dúcteis, efrequentemente contêm microtrincasdecorrentes do impacto entre placas, quepodem inicias falhas subsequentes (VOORT,2009).

DIAGRAMAS TTT

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✓ Austenita

• A austenita é encontrada em temperaturaambiente em alguns aços inoxidáveis austeníticos eduplex (ferrita + austenita), ou em aços quesofreram têmpera.

• Muitas vezes, por motivos relacionadosprincipalmente à composição química, não tiveramsua transformação totalmente completada,restando certa porcentagem em temperaturaambiente (austenita retida) – apresenta-sejuntamente à martensita (figura).

DIAGRAMAS TTT





✓ Austenita

DIAGRAMAS TTT

Micrografia mostrando a mistura de martensita e austenita retida (áreas claras) (FREITAS, 2014)

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✓ Bainita

• Formação: ocorre por um processo misto - difusão,como nas transformações eutetóides, e forças decisalhamento, como nas transformaçõesmartensíticas - depende tanto do tempo quanto datemperatura.

• Faixa de formação: situa-se abaixo da temperaturade formação da perlita (cerca de 550-720 °C) eacima da transformação martensítica, daí osurgimento de duas morfologias distintas: bainitasuperior e bainita inferior.

DIAGRAMAS TTT





✓ Bainita

• Esta classificação é importante, devido asdiferenças em termos de propriedadesmecânicas das duas bainitas.

• Microestruturas: formadas frequentemente poragregados de ferrita e cementita (ou outroscarbonetos, no caso de aços ligados) comdimensões características muito pequenas.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Bainita

• Bainita superior: forma-se em faixas detemperaturas imediatamente abaixo da faixa deformação da perlita, e é constituída de “pacotes”de cristais de ferrita paralelos entre si, quecrescem através dos grãos de austenita, comcarbonetos presentes entre os cristais de ferrita.

DIAGRAMAS TTT





✓ Bainita

• Bainita inferior: forma-se em temperaturasmuito próximas da temperatura de início deformação da martensita, e é constituída porplacas de ferrita longas, não paralelas(morfologia comumente caracterizada comacicular – forma de agulhas.

DIAGRAMAS TTT

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✓ Bainita

DIAGRAMAS TTT

(a) (b)

(a) Bainita superior de um aço 4360; (b) Bainita inferior de um aço com 1,1%C.





✓ Dureza das microestruturas

• Perlita grossa mais dúctil que a perlita fina (86 a 97HRB).

• Perlita fina mais dura que a perlita grossa – fasecementita forte e rígida restringe severamente adeformação da fase ferrita (20 a 30 HRC). Antigamenteperlita muito fina = troostita (termo em desuso).

• Aços bainíticos possuem uma estrutura mais fina – sãomais resistentes e duros - bainita superior (40 a 45HRC); bainita inferior (50 a 60 HRC).

• Martensita é fase mais dura, mais resistente e frágil (63a 67 HRC).

DIAGRAMAS TTT

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➢ Considerações gerais

• Para se acompanhar a formação dos constituintesestudados, utilizam-se as curvas TTT (Temperatura –Tempo – Transformação).

• Explicam a formação de estruturas fora doequilíbrio, que não dependem essencialmente deprocessos difusionais.

• Mostram as curvas de resfriamento e as faixas detemperatura em que os diversos constituintes dastransformações austeníticas se formam.

DIAGRAMAS TTT




➢ Considerações gerais

• Importante ferramenta para a especificação dosparâmetros dos tratamentos térmicos dos aços.

• Os diagramas TTT podem ser subdivididos em:

a) Diagramas ITT (isothermal Time Transformation)- transformação isotérmica.

b) Diagramas CCT (Continuous CoolingTransformation) - Transformação emResfriamento Contínuo ou TRC.

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT

✓ Generalidades

• Definem as transformações da austenita emfunção do tempo e a uma temperaturaconstante.

• Mostram, portanto, as fases pelas quais o açopassará de acordo com o tempo em que elepermanecer em uma determinada temperaturade tratamento.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas ITT

DIAGRAMAS TTT

Representação deum diagrama ITT.

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➢ Diagramas ITT

✓ Construção do diagrama

• Se um determinado aço for aquecido a umatemperatura, de modo a se ter somenteaustenita (temperatura de austenitização), eposteriormente resfriado bruscamente até umatemperatura inferior a 727 °C (linha A1), elelevará um certo tempo para iniciar a suatransformação em perlita naquela temperatura,e a perlita, depois de iniciada, se completaráapós um certo período de tempo.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas ITT


• A obtenção do diagrama ITT consiste em serepetir o processo anteriormente descrito paravários corpos de prova, mas com intervalos detempo determinados para cada um deles, antesde resfriá-los bruscamente até a temperaturaambiente.

• Repete-se novamente o processo para váriastemperaturas de transformação especificadas.

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT


• Se o intervalo de tempo no qual o corpo de provafoi mantido na temperatura especificada não forsuficiente para a transformação da austenita emperlita, então, no segundo resfriamento (brusco)aquela se transformará totalmente em martensita.

• Portanto, na temperatura ambiente, o materialapresentará uma certa área transformadaisotermicamente em perlita e o restante setransformará em martensita no resfriamentobrusco subsequente.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas ITT


• Pelo exame dessa série de corpos de prova pode-se acompanhar a evolução da transformação, oque permitirá traçar gráficos relacionando aporcentagem de produtos de transformaçãoisotérmica com o tempo de permanência do corpode prova nas diversas temperaturas escolhidas(figura).

• A partir dos tempos de início e fim dastransformações obtidas desses gráficos, constrói-se o diagrama ITT (figura).

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT


DIAGRAMAS TTT

Construção de um diagrama de

transformação isotérmica (TTT).




➢ Diagramas ITT


• Como já estudado, tanto a perlita como a bainitasão agregadas de ferrita e cementita, por isso, emalguns diagramas ITT as regiões correspondentesaos campos de existência da ferrita e da bainitapoderão vir identificadas somente por F + C(ferrita + carboneto).

• De um modo geral, as fases são indicadas pelospróprios nomes ou por suas iniciais: Austenita (A),Bainita (B), Cementita (C), Perlita (P) e Martensita(M).

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT

✓ Indicação das curvas do diagrama

• O início e o fim da formação da perlita, que ocorreacima do nariz (cotovelo ou joelho) do diagrama;

• A formação da bainita abaixo do nariz até o início datransformação martensítica, indicada pela letra Ms

(martensite starter) ou Mi (martensita início), que nodiagrama aparece como uma linha reta, visto que atransformação martensítica depende somente datemperatura;

• A formação da martensita que ocorre entre as linhasMi e Mf (martensita final).

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas ITT


• A linha A1 (727 °C), assintótica à curva de início detransformação, delimita os campos de austenitaestável (superior) e austenita instável (inferior).

• A região compreendida entre as curvas de início e defim de transformação corresponde à zona onde seprocessam isotermicamente as transformações.

• Para outros composições que não a eutetóide,constituintes pró-eutetóides (ferrita ou cementitaseparadas dentro da zona crítica) coexistem com aperlita (figura).

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT


DIAGRAMAS TTT

Diagrama ITT mais completo

de um aço eutetóide

M50

M90

A1γestável

Mi

Mf

γinstável




➢ Diagramas ITT


DIAGRAMAS TTT

Comparação do diagrama binário Fe-C (a) com uma curva ITT de um aço eutetóide (b) e um aço hipoeutetóide com 0,5% de C (c) (KRAUSS, 2005, p. 182)

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➢ Diagramas ITT


DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Diagrama ITT de aços hipoeutetóides: (a) 0,20% C (1020); (b) 0,50% C (1050).




➢ Diagramas ITT

DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Diagrama ITT de aços hipereutetóides: (a) 1,13% C (10113); (b) 1,3% C (10130).

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➢ Diagramas ITT


DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Diagrama ITT: (a) Hipo 0,35% C (1035); (b) Hiper 0,90% C (1090).




➢ Diagramas ITT

✓ Exemplos de leituras do diagrama

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas ITT

✓ Exemplos de leituras do diagrama

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

• A maioria dos tratamentos térmicos para os açosenvolve o resfriamento contínuo de uma amostra,com maior ou menor velocidade, desde atemperatura de austenitização até a temperaturaambiente.

• Por este motivo os constituintes resultantes detransformação que requeiram tempo (difusão)serão formados em faixas de temperatura e,portanto, serão misturas de constituintes formadosem diferentes temperaturas.

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

• Só nos casos extremos de velocidades deresfriamento muito altas, ou relativamente baixas,é que se obtém constituintes bem definidos, comoa martensita ou a perlita grosseira - as curvas deresfriamento cruzarão somente as zonas deformação desses constituintes no diagrama TTT.

• Um diagrama de transformação isotérmica só éválido para temperatura constante e tal diagramadeve ser modificado para transformações commudanças constantes de temperaturas.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

• Técnicas semelhantes às utilizadas nos diagramasde transformação isotérmica (ITT) poderão serempregadas para a determinação de diagramasde transformação em resfriamento contínuo.

• Em um dos métodos, séries de amostras sãoresfriadas com velocidade controlada, e ao seatingir determinadas temperaturas, as amostrassão resfriadas bruscamente para bloquear oprocesso de transformação.

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

• A natureza e a quantidade dos constituintesformados até se atingir a temperatura determinada ea quantidade de martensita decorrente da austenitanão transformada, permitirá, para diversas curvas deresfriamento, traçar os diagramas de transformaçãoem resfriamento contínuo.

• No resfriamento contínuo o tempo exigido para queuma reação tenha seu início e o seu término éretardado e as curvas são deslocadas para temposmais longos e temperaturas menores.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

• Comparação entre dois tipos de diagramas detransformação do mesmo material (figura): as curvasde início de transformação do primeiro (resfriamentocontínuo) se localizam em temperaturas mais baixase à direita das curvas em C, de modo que, excetopara os TTs feitos com velocidades de resfriamentointermediárias, as curvas em C, apesar de seremcurvas de transformação isotérmica, permitempredizer o comportamento relativo dos diferentesaços em face dos TTs a que venham a sersubmetidos.

DIAGRAMAS TTT

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➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

DIAGRAMAS TTT

Curvas de resfriamento de uma peça sobre um

diagrama de resfriamento contínuo (aço eutetóide)

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➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades• Para o resfriamento contínuo de uma liga de aço,

existe uma taxa de têmpera crítica que representa ataxa mínima para se produzir uma estruturatotalmente martensítica (a curva de resfriamentopassa em A).

• Para taxas de resfriamento superiores à críticaexistirá apenas martensita (< A). Além disso existiráuma faixa de taxas (entre A e B) em que perlita emartensita são produzidas e finalmente umaestrutura totalmente perlítica (> B) se desenvolvepara baixas taxas de resfriamento.

DIAGRAMAS TTT




➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

DIAGRAMAS TTT

Curvas de resfriamento de uma peça sobre um

diagrama de resfriamento contínuo (aço eutetóide)

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➢ Diagramas CTT

✓ Generalidades

DIAGRAMAS TTT

Curvas de resfriamento deuma peça sobre umdiagrama de resfriamentocontínuo (aço eutetóide):A- Forno = perlita grossaB- Ar = perlita mais fina(mais dura que a anterior)C- Ar soprado = perlita maisfina que a anteriorD- Óleo = perlita maismartensitaE- Água = martensitaT- Taxa mínima =martensita




➢ Fatores que influenciam diretamente a posição daslinhas de transformações nos diagramas TTT

✓ Teor de carbono - quanto menor o teor decarbono (abaixo da composição eutetóide) maisdifícil de se obter estrutura martensítica (figura).

DIAGRAMAS TTT

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DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Diagrama TTT de aços hipoeutetóides: (a) 0,20% C (1020); (b) 0,50% C (1050).






✓ Elementos de adição - teor e número doselementos de liga, mais numerosas e complexas asreações - todos os elementos de liga (exceto ocobalto) deslocam as curvas de início e fim detransformação para a direita, ou seja:

• retardam as transformações e promovem aformação de um joelho de separação para abainita (figura);

• facilitam a formação de martensita.

DIAGRAMAS TTT

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DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Aços com o mesmo teor de carbono, mas com diferentes elementos de liga.






✓ Tamanho dos grãos da austenita - quanto maior otamanho de grão, mais para a direita deslocam-se ascurvas TTT.

• Tamanho de grão grande dificulta a formação daperlita - a mesma inicia-se no contorno de grão.

• Então, o tamanho de grão grande favorece aformação da martensita.

• Consequência: em determinados aços pode-seobter martensita mesmo com resfriamento lento.

DIAGRAMAS TTT

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DIAGRAMAS TTT

(a) (b)Aços com a mesma composição, mas com diferentes tamanhos de

grãos da austenita.




➢ Fatores que influenciam diretamente a posição daslinhas de transformações no diagramas TTT

✓ Homogeneidade da austenita - quanto maishomogênea a austenita, mais para à direitadeslocam-se as curvas TTT:

• Heterogeneidades, como os carbonetos residuaisou regiões ricas em carbono, atuam como núcleospara a formação da perlita.

• então, uma maior homogeneidade favorece aformação da martensita.

DIAGRAMAS TTT

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TRATAMENTOS TÉRMICOS




➢ Variáveis dos tratamentos térmicos

✓ Representando o tratamento térmico um ciclotempo-temperatura, os fatores a seremconsiderados na sua realização são:

• temperatura de aquecimento,

• taxa de aquecimento,

• tempo de permanência à temperatura,

• taxa de resfriamento, e

• atmosfera do recinto de aquecimento.


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✓ Temperatura de aquecimento

• O caso mais frequente de tratamento térmico doaço é alterar uma ou mais de suas propriedadesmecânicas, mediante uma determinadamodificação que se processa na sua estrutura.

• O aquecimento no início do processo égeralmente realizado a uma temperatura acimada crítica, para garantir a completaaustenitização do aço (total dissolução docarboneto de ferro gama).







• Assim, a austenitização é o ponto de partida paraas transformações posteriores desejadas, as quaisse processarão em função da velocidade deesfriamento (taxa de resfriamento) adotada.

• A temperatura de aquecimento é mais ou menosum fator fixo determinado pela natureza doprocesso e dependendo, é evidente, daspropriedades e das estruturas finais desejadas,assim como da composição química do aço,principalmente do seu teor de carbono.


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Influência da temperatura e

do tempo sobre o tamanho de

grãos.






• Aços hipoeutetóides - na prática, o máximo que seadmite é 50 °C acima de A3.

• Aços hipereutetóides - temperatura recomendadainferior à da linha Acm, pois a temperaturacorrespondente se eleva muito rapidamente com oteor de carbono, ou seja, são necessáriastemperaturas muito altas para a completa dissoluçãodo carboneto de ferro no ferro gama, comconsequente e excessivo crescimento de grão deaustenita - condição mais prejudicial que a presençade certa quantidade de carboneto não dissolvido.


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Diagrama Fe-C, com destaque para as linhas

de transformação:

A1, A3 e Acm.





✓ Taxa de aquecimento

• A velocidade de aquecimento, embora na maioriados casos seja fator secundário, apresenta certaimportância, principalmente quando os aços estãoem estado de tensão interna ou possuem tensõesresiduais devidas a encruamento prévio ou aoestado inteiramente martensítico.

• Nessas condições, um aquecimento muito rápidopode provocar empenamento ou mesmoaparecimento de fissuras.


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• Aços fortemente encruados que apresentam umatendência para excessivo crescimento de grão quandoaquecidos lentamente dentro da zona crítica - éconveniente realizar um aquecimento mais rápidoatravés dessa zona de transformação.

• Certos aços especiais que exigem temperatura final deaustenitização muito elevada, quando no aquecimentoa zona crítica é atingida - torna-se necessário que amesma seja ultrapassada mais ou menos rapidamentepara evitar excessivo crescimento de grãos deaustenita .







• O efeito depende do volume do material a seraquecido.

• Quanto maior a taxa de aquecimento mais elevadas astemperaturas de transformação de fases em relaçãoao diagrama (figuras).


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✓ Tempo de permanência na temp. de tratamento

• A sua influência é mais ou menos idêntica à da máximatemperatura de aquecimento - quanto mais longo otempo à temperatura considerada de austenitização,tanto mais completa a dissolução do carboneto deferro ou outras fases presentes (elemento de liga) noferro gama, porém maior o tamanho de grãoresultante.

• O tempo deve ser o estritamente necessário para quese obtenha uma temperatura uniforme através de todaa seção do aço e para que se consigam as modificaçõesestruturais mais convenientes.







• Muito longo - maior a segurança da completadissolução das fases para posteriortransformação, mas propicia o crescimento degrão, oxidação dos contornos de grão edescarbonetação da superfície.

• Muito curto - o material não austenitizacompletamente ou homogeneamente (núcleopode manter estrutura original).


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• Sob o ponto de vista de modificação estrutural,admite-se que uma temperatura ligeiramentemais elevada seja mais vantajosa do que umtempo mais longo a uma temperatura inferior,devido à maior mobilidade atômica.

• De qualquer modo, o tempo à temperatura detratamento deve ser pelo menos o suficiente ase ter sua uniformização através de toda a seção.






✓ Taxa de resfriamento

• Fator mais importante - determinaráefetivamente a estrutura e, em consequência, aspropriedades finais dos aços (figura).

• Variação da velocidade de resfriamento - pode-se obter desde a perlita grosseira (baixaresistência mecânica e baixa dureza) até amartensita (constituinte mais duro resultantedos tratamentos térmicos).


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Perlita + Fase pró-eutetóide

Bainita

Martensita revenida

AUSTENITA

Martensita

Resfriamento lento Resfriamento moderado

Resfriamento rápido

Reaquecimento






• Como já visto anteriormente, a obtenção dessesconstituintes depende também da composiçãodo aço (teor em elemento de liga, deslocando aposição das curvas em C), das dimensões (seção)das peças etc.


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• Seleção do meio de resfriamento.

▪ Compromisso entre:

- obtenção das características finais desejadas(microestruturas e propriedades),

- ausência de fissuras e empenamento napeça, e

- minimização de concentração de tensões.







• Seleção do meio de resfriamento

▪ O meio de resfriamento é o fator básico noque se refere à reação da austenita e, emconsequência, aos produtos finais detransformação.

▪ O fator inicial a ser considerado é o tipo deestrutura final desejada a uma determinadaprofundidade.


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▪ A seção e a forma da peça influemconsideravelmente na escolha do meio. Exemplo: aseção da peça é tal que a alteração estruturalprojetada não ocorre à profundidade esperada.

▪ Em alguns casos a forma da peça é tal que umresfriamento mais drástico (como em água) podeprovocar consequências inesperadas e resultadosindesejáveis, tais como o empenamento e mesmo aruptura da peça submetida ao resfriamento.








▪ Um meio de resfriamento menos drástico,como óleo, seria o indicado sob o ponto devista de empenamento ou ruptura, pois reduzo gradiente de temperatura apreciavelmentedurante o resfriamento, mas não podesatisfazer sob o ponto de vista deprofundidade de endurecimento.


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▪ Os meios de resfriamento mais usados: ambiente doforno (mais brando), ar, banho de sais ou metalfundido (mais comum é o de Pb), óleo, água,soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl (maisseveros).

▪ Outro fator que deve ser levado em conta é o dacirculação do meio de resfriamento ou agitação dapeça no interior, podendo levar ao empenamentodas peças e até mesmo fissuras.








▪ Para que isso não ocorra deve-se usar meiosmenos drásticos como óleo, água aquecida ouar, banhos de sal ou banho de metal fundido.

▪ A severidade da têmpera depende do meio ondeo aço é resfriado:


MEIO Ar Óleo Água

SEVERIDADE Baixa Moderada Alta

DUREZA Baixa Moderada Alta

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Curvas Taxa de resfriamento x

Temperatura para os vários meios de resfriamento.





✓ Atmosfera do forno

• Fenômenos muito comuns e prejudiciais notratamento térmico dos aços, em função dareação deste com o meio:

- a oxidação que resulta na formaçãoindesejadas da “casca de óxido”, e

- a descarbonetação, que pode provocar aformação de uma camada mais mole nasuperfície do metal.


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• Reações de oxidação mais comuns:

2Fe + O2 = 2FeO, provocada pelo oxigênio

Fe + CO2 = FeO + CO, provocada pelo anidrido

carbônico

Fe + H2O = FeO + H2, provocada pelo vapor de água

• Os agentes descarbonetantes usuais:

2C + O2 = 2CO

C + CO2 = 2CO

C + 2H2 = CH4







• Os fenômenos de oxidação e dedescarbonetação são evitados pelo uso de umaatmosfera protetora ou controlada no interior doforno.

• Essa atmosfera, ao prevenir a formação da“casca de óxido”, torna desnecessário o empregode métodos de limpeza e, ao eliminar adescarbonetação, garante uma superfícieuniformemente dura e resistente ao desgaste.


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✓ Principais tratamentos térmicos





➢ Recozimento

✓ Considerações iniciais

• De forma genérica, o recozimento objetiva eliminaros efeitos de quaisquer tratamento térmico oumecânico a que o metal tiver sido anteriormentesubmetido.

• Genericamente, o tratamento térmico recozimentoabrange os seguintes tratamentos específicos:

- Alívio de tensões - Total ou pleno

- Recristalização - Isométrico ou cíclico (aços)

- Homogeneização (peças fundidas).


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➢ Recozimento

✓ Recozimento para alívio de tensões

• Consiste no aquecimento do metal atemperaturas abaixo do limite inferior da zonacrítica (Linha A1).

• OBJETIVOS:

- Uniformizar ou reduzir tensões introduzidas poroperações de usinagem, lixamento, soldagem,fabricação e resfriamento brusco.

- Reduzir tensões introduzidas por tratamentostermomecânicos.





➢ Recozimento


• Essas tensões começam a ser aliviadas emtemperaturas logo cima da ambiente; entretanto,é aconselhável aquecimento lento até pelo menos500 °C para garantir os melhores resultados.

• A temperatura de aquecimento deve ser a mínimacompatível com o tipo e as condições da peça,para que não se modifique sua estrutura interna,assim como não se produzam alterações sensíveisde suas propriedades mecânicas.


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➢ Recozimento


• TEMPERATURA: Na temperatura de aquecimento nãodeve ocorrer transformações de fases, somente umaredução no limite elástico que colabora para aredução das tensões residuais do material.

- Geralmente na faixa dos 500 a 600 °C (FREITAS,2014) – a redução do limite elástico ocorre a partirdos 300 °C.

- Quanto menor a temperatura escolhida, maiordeverá ser o tempo de permanência na mesma.





➢ Recozimento


• TAXA DE AQUECIMENTO: mais lento quanto menorfor a tenacidade do material.

• TAXA DE RESFRIAMENTO: Deve-se evitar taxasmuito altas devido o risco de distorções.

− Resfriamento lento (ao ar ou ao forno).


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➢ Recozimento

✓ Recozimento para recristalização

• Consiste no aquecimento da peça a umatemperatura abaixo de A1.

• As operações de deformação a frio aumentam adureza e diminuem a ductilidade, podendo ocorrerruptura entre duas operações consecutivas (figura).

• Isso pode ser evitado executando-se umrecozimento subcrítico antes de novasdeformações.





➢ Recozimento



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➢ Recozimento


• OBJETIVO: Eliminar o encruamento gerado peladeformação a frio, recuperando a ductilidade.

• PRINCIPAIS TRANSFORMAÇÕES: recuperação erecristalização das fases encruadas.

• Fase de recuperação: durante o aquecimento,ainda em temperaturas relativamente baixas,ocorre a eliminação de microtensões, compequena redução no limite de resistência eaumento do limite elástico.





➢ Recozimento


• Fase de recristalização: Com o aumento datemperatura (consequente aumento damobilidade atômica), novos grãos equiaxiaiscomeçam a ser formados, livres de deformação(início da recristalização).

• Recristalização: Processo de difusão, com osurgimento de núcleos de novos grãos.


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➢ Recozimento



Fases do tratamento de recozimento para

recristalização




➢ Recozimento


• Com o desaparecimento por completo dos grãosdeformados, começa a ocorrer o crescimento dosgrãos, uns à custa de outros, que dependem datemperatura de recozimento, da duração do cicloe do grau de deformação prévio.

• Graus de deformação pequenos: o aquecimentonão produz recristalização.


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➢ Recozimento


• Graus de deformação da ordem de 3 a 15%: Após orecozimento, os grãos crescem bruscamente,podendo superar o tamanho de grão original,diminuindo fortemente a plasticidade do metal.

• Quanto maior o grau de deformação, menor otamanho de grão recristalizado.

• Não recomendado baixos níveis de deformaçãoantes de um recozimento ou de operações deaquecimento para diferentes fins.





➢ Recozimento


• TEMPERATURA: Na temperatura deaquecimento não deve ocorrer transformaçõesde fases - o aquecimento é realizado abaixo deA1, normalmente na faixa de 600 a 680 °C.

• RESFRIAMENTO: Lento (ao ar, ou ao forno emsituações em que se deseja evitar oxidação dasuperfície).


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➢ Recozimento

✓ Recozimento pleno ou total

• OBJETIVO: Obter uma granulação grosseira,proporcionando uma melhora sensível na usinabilidadede aços de baixo e médio carbono, pela formação deperlita grosseira (Para melhorar a usinabilidade dos açosde alto carbono recomenda-se a esferoidização).

• Constitui-se no aquecimento do aço acima da zonacrítica, durante o tempo necessário e suficiente para seter solução do carbono ou dos elementos de liga noferro gama (austenita), seguindo de um resfriamentolento.





➢ Recozimento


• TEMPERATURA:

- Aços hipoeutetóides: 50 °C acima de A3

(austenitização completa).

- Aços hipereutetóides: entre A1 e Acm (não sedeve ultrapassar a linha superior Acm, pois noresfriamento lento posterior, ao atravessá-lanovamente, formar-se-á nos contornos dosgrãos um invólucro contínuo e frágil decarboneto).


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➢ Recozimento



Temperatura de aquecimento para vários aços no recozimento pleno




➢ Recozimento



Diagrama mostrando a

temperatura de aquecimento no

recozimento pleno

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➢ Recozimento



Diagrama mostrando a temperatura de aquecimento no recozimento pleno




➢ Recozimento


• RESFRIAMENTO: Realizado mediante o controleda velocidade de resfriamento do forno oudesligando-o e deixando que o aço resfrie juntocom o mesmo.

• MICROESTRUTURA FINAL:

- Hipoeutetóide: ferrita + perlita grosseira

- Eutetóide: perlita grosseira

- Hipereutetóide: cementita + perlita grosseira


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➢ Recozimento


• OBSERVAÇÕES:

- A perlita grosseira é ideal para melhorar ausinabilidade dos aços de baixo e médiocarbono.

- Para melhorar a usinabilidade dos aços altocarbono, no entanto, recomenda-se aesferoidização.





➢ Recozimento



Diagrama esquemáticode transformação pararecozimento pleno

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➢ Recozimento


• OBSERVAÇÕES:

- A perlita grosseira é ideal para melhorar ausinabilidade dos aços de baixo e médiocarbono.

- Para melhorar a usinabilidade dos aços altocarbono, no entanto, recomenda-se aesferoidização.





➢ Recozimento

✓ Recozimento isotérmico ou cíclico

• Consiste no aquecimento do aço nas mesmascondições do recozimento total, mas seguido de umresfriamento rápido até uma temperatura situadadentro da porção superior do diagrama detransformação isotérmico, onde o material é mantidodurante o tempo necessário a se produzir atransformação completa.

• Em seguida, o resfriamento até a temperaturaambiente pode ser apressado.


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➢ Recozimento


• Os produtos resultantes desse tratamento térmicosão também perlita e ferrita, perlita e cementita ousó perlita, dependendo do aço.

• Contudo, a estrutura final é mais uniforme que nocaso do recozimento pleno.

• O resfriamento é geralmente executado em banhode sais.

• É mais prático e mais econômico que o recozimentopleno.





➢ Recozimento



Diagrama esquemático de transformação para

recozimento isométrico.

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➢ Recozimento

✓ Recozimento para homogeneização

• Normalmente aplicado a aços anteriormente aoperações de trabalho a quente, tais comoforjamento e laminação.

• OBJETIVO PRINCIPAL: Homogeneizar acomposição química ao longo do lingote fundidoe dissolver todos os carbonetos eventualmentepresentes, resultando em melhor forma detrabalho a quente do material e melhoresrespostas a tratamentos térmicos posteriores.





➢ Recozimento

✓ Recozimento para homogeneização

• TEMPERATURA: Não deve ocorrertransformação de fases.

• RESFRIAMENTO: Lento (ao ar ou ao forno).


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➢ Normalização

✓ Considerações gerais

• A normalização pode ser usada para obter umaboa ductilidade sem redução significativa dadureza e da resistência à tração.

• É um tratamento comum para aços-liga, antesda usinagem e de posteriores tratamentoscomo têmpera e revenido.

• No segundo caso, para produzir estrutura maisuniforme do que a obtida por laminação.





➢ Normalização


• Também para facilitar a usinagem e refinar aestrutura dos grãos.

• O aço com grãos grandes tende a apresentarmaior heterogeneidade de propriedades emaior fragilidade.

• O refino de grão garante maior homogeneidadede propriedades e maior tenacidade.


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➢ Normalização


• Consiste no aquecimento do aço a umatemperatura acima da zona crítica, seguido deresfriamento no ar (figura) – Similar aorecozimento, mas resfriado ao ar.

• Devido à maior velocidade de resfriamento(ar), aços normalizados tendem a ser menosdúcteis e mais duros que os plenamenterecozidos.





➢ Normalização



Ciclo de aquecimento e resfriamento para a redução de grão na

normalização

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➢ Normalização


• As diferenças são significativas para teoresacima de 0,5% de carbono.

• Para os aços hipoeutetóides, pode-se admitirque a temperatura de aquecimento ultrapassea linha A3 e para os hipereutetóides a linha Acm

sem os inconvenientes, neste último caso, noesfriamento ao ar que se seguem da formaçãodo invólucro frágil de carbonetos.





➢ Normalização



Diagrama mostrando a temperatura de aquecimento na

normalização

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➢ Normalização

✓ Objetivos

• Refinar o grão e melhorar a uniformidade damicroestrutura.

• Refinar o grão e homogeneizar microestruturasde produtos conformados a quente.

• Melhorar a usinabilidade.

• Refinar a microestrutura de estruturas brutasde fusão.





➢ Normalização

✓ Temperatura, resfriamento e estrutura resultante

• Aquecimento acima do limite superior da zonacrítica (A3 ou Acm, por exemplo 60 °C, entre 800 °Ce 900 °C), para garantir a austenitização total domaterial.

• Em seguida é retirado do forno e deixado resfriarao ar natural.

• Forma pequenos grãos de ferrita e perlita fina (açohipoeutetóide) ou só perlita fina (aço eutetóide) oucementita e perlita fina (aço hipereutetóide).


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➢ Esferoidização


• É um processo normalmente usado em açoshipereutetóides (%Cp > 0,77).

• Esses aços apresentam uma rede frágil decementita ao redor da perlita, e essaquantidade maior de cementita torna a suausinagem difícil.







• É assim chamado porque as partículas decementita tornam-se esféricas ou globularesapós tempo prolongado de exposição emtemperaturas ligeiramente subcríticas.

• Produz cementita esferoidal em uma matriz deferrita, eliminando a matriz de perlita e a redede carbonetos frágeis anteriormenteexistentes.


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✓ Objetivo, aquecimento e resfriamento

• Melhorar a usinabilidade dos aços de alto carbono,pela alteração da morfologia da cementita (mínimadureza e máxima usinabilidade).

• Aquecer e manter por um longo tempo (várias horas)a peça em temperatura um pouco abaixo daformação da austenita (cerca de 50 °C abaixo da zonacrítica, por exemplo) e resfriar lentamente dentro doforno (ciclo abcd da figura).

• Valores típicos podem ser, por exemplo, 24 h a 700ºC.








Ciclo de aquecimento e resfriamento para a esferoidização da cementita.

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✓ Outra forma de esferoidização

• Aquecimento e resfriamento alternados entretemperaturas que estão logo acima e logo abaixo dalinha de transformação inferior (ciclo ab123d dafigura).


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➢ Têmpera


• Os tratamentos de endurecimento visamaumentar a resistência mecânica dos aços.

• São feitos após a peça ter passado poroperações de conformação plástica, usinagem,normalização ou alívio de tensões.





➢ Têmpera


• O tratamento de têmpera consiste emaquecimento da peça até uma temperaturasuperior à crítica, em torno de 50 °C (a mesmafaixa utilizada para o recozimento pleno), e emseguida resfriá-la bruscamente em meioadequado para tal, evitando-se, assim, aformação de ferrita, perlita, bainita emicroconstituintes mais moles que amartensita.


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➢ Têmpera



Taxa de resfriamento

para o tratamento de

têmpera na superfície e no centro da peça




➢ Têmpera

✓ Objetivos

• Como na têmpera o constituinte final desejado é amartensita, o objetivo principal dessa operação, sobo ponto de vista de propriedades mecânicas, é oaumento da dureza, a qual deve verificar-se até umadeterminada profundidade.

• Resultam também da têmpera: redução daductilidade, redução da tenacidade e o aparecimentode apreciáveis tensões internas.

• Tais inconvenientes são atenuados ou eliminadospelo revenido.


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➢ Têmpera


• Definida pelo teor de carbono, quantidade deelementos de liga e tamanho de grãos.

• Obtidas nos diagramas de transformação,catálogos técnicos de fabricantes ou emmanuais e guias de tratamentos térmicos(tabela).





➢ Têmpera


• Aços hipoeutetóides: entre 30 e 50 °C acima deA3 – formação totalmente austenítica,resultando numa estrutura martensítica.

• Aços Hipereutetóides: em torno de 780 e 820°C ou pouco acima de A1 – formação austenitae cementita, resultando numa estruturamartensítica com partículas de cementita nãodissolvidas.


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➢ Têmpera


• No caso dos aços hipereutetóides, se foremaquecidos a uma temperatura superior a Acm,haverá a total dissolução da cementita, obtendo-sesomente austenita.

• Entretanto, essa austenita estará supersaturada decarbono, e na transformação durante oresfriamento rápido, a martensita formada seráacicular sem cementita e restará uma parcelasignificativa de austenita não transformada,resultando em dureza menor.





➢ Têmpera

✓ Velocidade de aquecimento

• É determinada pelo meio de resfriamento,pelos elementos de liga, pelo teor de carbono,e pelas dimensões e geometria das peças.

• Deverá ser menor quando a peça apresentargrandes dimensões, geometrias complexas ealtos teores de elementos de liga e carbono.


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➢ Têmpera

✓ Tempo na temperatura

• É necessário para garantir em todas as seçõesda peça a homogeneidade da temperatura e dacomposição da austenita, embora possam sermais baixas para temperaturas elevadas deaustenitização.

- Para aços carbono e baixa liga o tempo deencharque é de 50 a 80 s (FREITAS, 2014,apud LAJTIN, 1977) para cada milímetro dediâmetro ou espessura;





➢ Têmpera

✓ Tempo na temperatura

- Para aços ligados o tempo é de 70 a 90 s;

- Os tempos são reduzidos para 20 a 25 s e 25a 30 s, respectivamente, quando oaquecimento é realizado em banhos de saisfundidos, pois estes possuem maior poder detransmissão de calor.


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➢ Têmpera


Temperaturas para vários aços e tratamentos e meios para resfriamento na têmpera




➢ Têmpera


Temperaturas para vários aços e tratamentos e meios para resfriamento na têmpera

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➢ Têmpera

✓ Resfriamento

• Quando se faz o resfriamento brusco do aço, durantea têmpera, ocorre choque térmico devido àpassagem da peça de temperaturas altas para aambiente em poucos segundos.

• O resfriamento brusco pode causar distorções e atémesmo trincas na peça, denominadas trincas detêmpera.

• Entretanto, o resfriamento deve ser rápido osuficiente para garantir a formação de martensita nasuperfície do material.





➢ Têmpera

✓ Resfriamento

• O tempo disponível para resfriamento é dado peladistância do cotovelo da curva RC ao eixo dastemperaturas.

• Quanto mais deslocada para a direita a curva RC,mais fácil é temperar o aço.


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➢ Têmpera

✓ Resfriamento

• Quando a velocidade de resfriamento é alta,estabelecem-se grandes diferenças detemperaturas entre a superfície e o centro dapeça, pois a superfície, em contato direto como meio refrigerante, resfria rápido, enquanto onúcleo resfria mais lentamente.





➢ Têmpera


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➢ Revenido






➢ Revenido

✓ Objetivos

• Aliviar ou remover tensões.

• Corrigir a dureza e a fragilidade.

• Aumentar a ductilidade e a tenacidade.

✓ Temperatura

• Quanto mais alta a temperatura de revenido, menor adistorção do reticulado, menor a dureza e maior atenacidade do aço.

• Nos aços para construção mecânica de baixa liga e altaresistência, a dureza cai continuamente com atemperatura de revenido (figura).


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➢ Revenido - temperatura


Variação das propriedades

mecânicas do aço 4340 temperado em óleo em função da

temperatura de revenido.




➢ Revenido - temperatura


Influência da temperatura e do tempo de revenido na dureza do aço.

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➢ Revenido

✓ Temperatura

• Deve ser escolhida de acordo com a combinação depropriedades mecânicas que se deseja no açotemperado.

• Existe uma faixa de temperaturas em que o revenidodeve ser evitado, pois a tenacidade é bastanteprejudicada (fenômeno denominado “fragilidadeazul” ou fragilidade dos 500 °F – 260 °C).

• Recebe este nome, pois na faixa de temperatura emque ocorre forma-se uma película de óxido azulada





➢ Revenido

✓ Temperatura


Queda de energia

absorvida no ensaio de

impacto entre 260 e 375 °C

(500 a 700 °F).

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➢ Revenido

✓ Estágios do revenido

▪ 100 a 200 °C: também chamada etapa dealívios de tensões – diminuição das tensõesinternas, pequena redução da dureza emelhora da tenacidade - Os carbonetos ε(Fe2,4C) começam a precipitar.Dureza: 65 HRC → 60-63 HRC

▪ 200 a 350 °C: a austenita retida se transformaem ferrita e cementita. O carboneto Fe3Cprecipita. Dureza: 62 HRC → 50 HRC





➢ Revenido

✓ Estágios do revenido

▪ 350 a 500 °C: segregação de impurezas eelementos de liga (fragilização do revenido).

▪ 400 a 500 °C: os carbonetos (de Fe) crescemem glóbulos.Dureza: 20-45 HRC

▪ 500 a 700 °C: formação de carbonetos comelementos de liga (W, V, Nb, Cr; Fe3C podedissolver) – endurecimento secundário.


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➢ Revenido

✓ Cores do revenido

• Coloração das peças geradas com o resfriamento apartir de determinadas temperaturas, deve-se àformação de uma película de óxido.

• Além do efeito estético, as cores podem dar umaleve proteção anticorrosiva às peças.


COR TEMP (°C) COR TEMP (°C)

Amarelo-pálido 200 Azul-escuro 290

Amarelo-palha 220 Azul-marinho 300

Marrom 240 Azul-claro 320

Púrpura 260 Verde-oceano/cinza 350

violeta 280 Preto 450/500




➢Martêmpera e Austêmpera

✓ São classificados como tratamentos isotérmicos– o resfriamento é interrompido a certa faixa detemperatura e mantido por um determinadotempo.

✓ Martêmpera

• Neste tratamento, o resfriamento é executadoa uma temperatura superior a de formação damartensita (Mi), utilizando sais deresfriamento.


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✓ Martêmpera

• Deve-se manter o resfriamento nessa faixa portempo suficiente para que as temperaturas donúcleo e da superfície se equalizem.

• Então, deve-se resfriar, geralmente ao ar, emtemperatura ambiente.

• O produto resultante é a martensita, que apóso resfriamento completado terá a etapa derevenimento.






✓ Martêmpera

• Com a equalização das temperaturas do núcleoe da superfície, espera-se que a transformaçãomartensítica ocorra simultaneamente em todaa seção da peça, minimizando as distorções epossibilidades de trincas em peças cujageometria traga esse risco.

• A figura a seguir esquematiza o ciclo dotratamento de martêmpera.


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✓ Martêmpera


Ciclo da martêmpera.





✓ Austêmpera

• Objetivo principal: obtenção da estrutura bainítica,que possui tenacidade e resistência à fadigasuperiores às da martensita revenida.

• Objetivo secundário: aplicada como alternativa àmartêmpera.

• Consiste no resfriamento rápido até a temperaturade formação da bainita, geralmente entre 400 e 250°C, e manutenção até que o processo de início efinalização da transformação ocorra, podendo, apósesse tempo, resfriar à temperatura ambiente.


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✓ Austêmpera


Ciclo de austêmpera.





✓ Austêmpera

• Os meios usualmente utilizados para o resfriamentosão sais ou metais fundidos, que são menosempregados em virtude de maior dificuldade delimpeza e risco à saúde dos operadores.

• O revenimento não deve ser realizado, pois promoveuma precipitação de carbonetos, que reduz atenacidade e a resistência à fadiga.

• Após o resfriamento em temperatura ambiente, aspeças devem ser lavadas em água quente pararemoção de sal impregnado.


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✓ Austêmpera


Fonte: FREITAS, 2014, p. 60

Comparação entre dois ciclos de tratamento para um aço SAE 5160

Propriedades Têmpera Austêmpera

Limite de resistência (MPa) 1.530 1.590

Limite de escoamento (MPa) 1.400 1.210

Alongamento (%) 4,8 8,2

Estricção (%) 9,5 36

Resistência ao impacto (J/cm²) 38 a 43 72 a 76

Resistência à fadiga (ciclos) 8.150 17.060





✓ Austêmpera


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➢ Temperabilidade


• Temperabilidade ou “profundidade de penetração àtêmpera” - característica que define a variação dedureza desde a superfície até o núcleo da peçaquando temperada.

• Está associada à capacidade de determinado açoformar martensita e, portanto, à velocidade críticade têmpera.

• Um aço com alta temperabilidade é capaz de formarmartensita em seções mais espessas (taxas deresfriamento mais baixas).





➢ Temperabilidade


• Efeito sobre a temperabilidade do aço: o tamanhode grão austenítico, a homogeneidade damicroestrutura inicial (austenita), a composiçãoquímica e o teor de carbono.

• A formação da martensita depende dacomposição química e da microestrutura daaustenita para transformação fora das condiçõesde equilíbrio termodinâmico (taxa deresfriamento).


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➢ Temperabilidade


• Grãos austeníticos mais finos facilitam a nucleaçãodos microconstituintes a serem formados duranteo tratamento térmico (resfriamento), poisdificultam a formação de martensita e, portanto, atemperabilidade do aço (figura).

• O carbono tem um forte efeito sobre a dureza damartensita, além de retardar as transformações dedecomposição difusional da austenita,aumentando a sua temperabilidade (figura).





➢ Temperabilidade



(a) (b)Diagrama TTT de aços hipoeutetóides: (a) 0,20% C (1020); (b) 0,50% C (1050).

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➢ Temperabilidade


• A maior parte dos elementos de ligaadicionados ao aço também retarda astransformações de decomposição difusional daaustenita, com exceção do cobalto que reduz atemperabilidade (figura).





➢ Temperabilidade



(a) (b)Aços com o mesmo teor de carbono, mas com diferentes elementos de liga.

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➢ Temperabilidade


• Quando uma peça é submetida a umatêmpera, dois fatores influenciam a velocidadecom a qual as diferentes posições na peçaresfriam:

1) a velocidade com a qual o calor é extraídona superfície da peça, que é função domeio de têmpera.

2) a transmissão de calor, por condução,dentro da peça.





➢ Temperabilidade


• A combinação desses dois fatores faz com quediferentes posições em uma peça resfriem adiferentes velocidades.

• Em geral, o problema na seleção de materiais,em metalurgia, consiste em definir qual aço,temperado em qual meio, atingirá determinadamicroestrutura (e, portanto, propriedades) emdeterminada posição na peça que se desejafabricar.


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➢ Temperabilidade


• Existem vários métodos capazes de prever asmicroestruturas que se obtém no resfriamento dosaços, a partir de informações padronizadas.

• Principais métodos para medir e quantificar datemperabilidade dos aços: ensaio Jominy (ASTM A255,mais simples e o mais comumente usado) e método dodiâmetro crítico de Grossmann.

• Esses métodos permitem um mapeamento daprofundidade da têmpera para diferentes ligas com omesmo teor de carbono.





➢ Temperabilidade

✓ Método de Grossmann

• Envolve temperar barras de diâmetroscrescentes para determinar o diâmetro em quese obtém 50% de martensita no centro dabarra (diâmetro crítico - Dc).

• Quanto maior o diâmetro crítico, maior atemperabilidade do material

• A avaliação pode ser feita de duas maneiras:(a) metalograficamente ou (b) através damedida da dureza das barras.


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➢ Temperabilidade


a) Metalograficamente - identificação daposição onde se verifica a ocorrência de 50%de martensita a partir da superfície da barra -marcada por uma nítida diferença decontraste na microestrutura quando daanálise metalográfica da secção circular dabarra temperada;





➢ Temperabilidade


b) Através da dureza - coloca-se em um gráficoa dureza do centro das barras versus o seudiâmetro:

- na região onde ocorre uma inflexão nacurva, é definido o diâmetro crítico (Dc).

- Essa inflexão é tomada como a transiçãoentre a estrutura martensítica e a estruturaferrítica/perlítica de menor dureza.


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➢ Temperabilidade



Mostra a curva de inflexão, onde é definido

o diâmetro crítico - Dc




➢ Temperabilidade


• As medidas de temperabilidade tambémpodem ser apresentadas em gráficos em queas várias curvas são superpostas, chamadascurvas em “U” (figura).

• Na temperabilidade, deve-se tambémobservar-se a variação de dureza ao longo dapeça, bem como ao longo de seções idênticasfabricadas com aços de diferentescomposições


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➢ Temperabilidade





➢ Temperabilidade


• Por exemplo: um aço com diâmetro crítico de2,5 cm e outro com 4 cm, significa que osegundo tem maior temperabilidade, ou seja,apresenta uma profundidade deendurecimento (região martensítica) maior.


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➢ Temperabilidade


• Como o meio de têmpera é determinante noresultado, este método permite calcular o seuefeito, medido através de um fator H,denominado “severidade de têmpera”(tabela).

• Quanto maior a severidade de têmpera, maisrápido é o resfriamento entretanto, o potencialde ocorrência de distorção e trincas tambémcresce.





➢ Temperabilidade



Severidade de têmpera de diferentes meios comparados com a água(adaptada de COLPAERT, 2008)

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➢ Temperabilidade






➢ Temperabilidade


• Orientações básicas:

- A água deve ser usada para peças degeometria simples, simétrica, em que algumadistorção possa ser tolerada (ex.: usinagempós-tratamento).

- Devem ser usados meios de resfriamentomenos drásticos, quando a distorção e apossibilidade de trincas são fatores críticos.


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➢ Temperabilidade



- O volume do tanque de têmpera deve ser suficientepara que o meio possa remover o calor da peça com,pouca alteração de sua temperatura – se o meio detêmpera se aquece a taxa de resfriamento cai –comum o emprego de sistemas de refrigeração.

- A temperatura inicial do meio deve sersuficientemente baixa – limites tais como 40 °C sãoestabelecidos ao longo de todo o trabalho.





➢ Temperabilidade



- Agitação adequada do meio, ao longo de todo otempo de têmpera, pois o resfriamento nãouniforme é uma das maiores causa de têmperainadequada.

- O tempo de transferência do forno de austenitizaçãoaté o tanque de têmpera é crítico, especialmentepara peças pequenas, que perdem o calor muitorapidamente e, em consequência, podem sofrertransformação parcial antes de serem imersas.


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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy

• Neste ensaio, em um único corpo de prova é geradauma ampla faixa de velocidades de resfriamento.

• Após a austenitização em condições definidas pornorma (ASTM A255), o CP é colocado em umdispositivo, e a sua extremidade é resfriada por umjato de água em condições controladas.

• Cada posição da superfície do CP resfria com umavelocidade diferente e, em consequência, sofrediferentes transformações, resultando em diferentesdurezas.





➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


Esquema de um ensaio Jominy

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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


Representação esquemática de um ensaio Jominy




➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


Ensaio Jominy sendo realizado.

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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy

• Uma vez completamente resfriado até atemperatura ambiente é usinada uma área aolongo do CP de modo a remover a camadasuperficial alterada durante o aquecimento.

• Só então são efetuadas medições de durezasobre a região usinada e traçado um gráficorepresentativo da variação da dureza com adistância à extremidade resfriada pelo jato deágua (figura).





➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy





➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy

• As curvas assim obtidas indicam níveis elevados dedureza na vizinhança da face inferior resfriada pelojato de água, sendo estes reduzidos gradualmenteà medida que aumente a distância a esta face.

• Os valores tendem a estabilizar a partir de umacerta distância.

• Quanto mais temperável for o aço tanto maisatenuada é a queda de dureza na vizinhança daface arrefecida.


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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy

• O procedimento de ensaio é descrito nas normasASTM A255 e NBR6339:

▪ Austenitização - o CP cilíndrico, com 1” dediâmetro e 4” de comprimento, dotado deum flange de suporte na extremidadesuperior de 32 mm de diâmetro por 3 mm decomprimento, é colocado em um forno auma dada temperatura por um período de 30minutos.





➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


▪ Resfriamento - em seguida, o CP é colocadoem um dispositivo onde recebe um jato deágua, de um tubo de 10 mm de diâmetrofixado logo abaixo de sua base, reguladocom pressão correspondente a altura livrede 65 mm.


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➢ Temperabilidade

✓ Ensaio Jominy


▪ Medição de dureza - após o resfriamento, o corpode prova é retificado ao longo de todo o seucomprimento e valores de dureza Rockwell C(HRC), a distância de 1/16” são determinados. Ospontos de medida estão situados a 1,5-3-5-7-9-11-13-15-20-50-60-70-80 mm da extremidaderesfriada e são designados por J1,5-J3-... -J80.

▪ Levantamento das curvas de temperabilidade.





AÇOS E

FERROS FUNDIDOS

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➢ Classificação

✓ Diferentes maneiras – não existe umaclassificação precisa e completa para todos ostipos de aço.

✓ Métodos usuais de classificação

• Baseada em características do aço -propriedades mecânicas, composição químicaetc.

• Baseada no emprego do aço - aços paraconstrução mecânica, aços-ferramenta etc.

AÇOS




➢ Classificação

✓ Não são excludentes - frequente superposiçãoentre elas, em função do seu inter-relacionamento.

✓ Não constituem critérios definitivos e imutáveis -visam ajudar o processo de seleção: açosespecificados para um tipo de aplicação podemser utilizados eficientemente em outras.

✓ Exemplo: aços-ferramentas → peças deequipamentos mecânicos.

AÇOS

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➢ Classificação

✓ Determinados aços podem estar incluídos emmais de uma classificação, especialmentequando os critérios são diferentes.

✓ Exemplo: aços de alta resistência e baixa liga(ARBL) → aços estruturais ou aços para caldeirase vasos de pressão.

✓ Especificações de materiais são, em geral,derivadas do conhecimento acumulado sobredeterminado material e sobre o seucomportamento e desempenho.

AÇOS




➢ Classificação

✓ O processo de seleção de aços para determinadaaplicação deve considerar, além daspropriedades dos aços disponíveiscomparativamente aos materiais alternativos, astendências de desenvolvimento na própriaindústria do aço.

✓ A seleção é, portanto, um processo dinâmico edeve ser revisto, periodicamente, semprevisando resultados mais eficientes.

AÇOS

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➢ Classificação

✓ Do ponto de vista da composição química, osaços, estes podem ser divididos, de forma geral,em:

- aços carbono comuns,

- aços-liga.

✓ Os aços-liga são subdivididos em:

- aços de baixo teor em liga,

- aços de médio teor em liga,

- Aços de alto teor em liga.

AÇOS




➢ Classificação

✓ Aços carbono comuns: Presentes o carbono e oselementos residuais nos teores consideradosnormais.

✓ Aços-liga com baixo teor em liga: elementos residuaispresentes em teores acima dos normais, ou presençade novos elementos de liga com teores limitados aum valor determinado.

- Quantidade total de elementos de liga nãosuficiente para alterar profundamente as estruturasdos aços resultantes, bem como a natureza dostratamentos térmicos a que devam ser submetidos.

AÇOS

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➢ Classificação

✓ Aços-liga com alto teor em liga: o total dos elementosde liga é, no mínimo, de 10 a 12%.

- Nessas condições, não só as estruturas dos açoscorrespondentes podem ser profundamentealteradas, como igualmente os tratamentostérmicos comerciais sofrem modificações, exigindoainda técnica e cuidados especiais e,frequentemente, operações múltiplas.

✓ Aços-liga de médio teor em liga: considerados comoconstituindo um grupo intermediário entre os aços-liga de alta e de baixa liga.

AÇOS




➢ Aços carbono comuns

✓ Alguns autores dividem os aços carbono comunsem três classes: aços de baixo, médio ou altoteor de carbono.

✓ Aço de baixo teor de carbono

• Teor de carbono: Geralmente inferior aaproximadamente 0,3%p C (CIMM, 2018).

• Não aceitam tratamentos térmicos para aformação de martensita - O aumento deresistência mecânica nesses aços é conseguidopor meio de trabalho a frio.

AÇOS

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• Microestruturas: consistem nosmicroconstituintes ferrita e perlita -consequentemente são relativamente moles ede baixa resistência mecânica, mas comductilidade e tenacidade excepcionais.

• São usináveis e soldáveis.

• Dos aços carbonos, são os que apresentam osmenores custos de produção.

AÇOS






• Aplicações: Incluem os componentes decarroceria de automóveis, perfis estruturais echapas usadas em tubulações, construção civile latas.

• A tabela a seguir ilustra a composição química,propriedades e aplicações para dois açoscarbono comum.

AÇOS

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AÇOS

DesignaçãoComposição (% em peso)

Propriedades mecânicas

Número AISI/SAE

Número UNS

C Mn Outros

Limite de resistência à tração médio

(MPa)

Limite de escoamento médio (MPa)

Ductilidade média (%AL, em 50 mm)

Aplicações típicas

1010 G10100 0,08-0,13

0,30-0,60

0,0400,050

325 180 28 Painéis de automóveis, pregos e arames

1020 G10200 0,17-0,23

0,30-060

0,0400,050

380 205 25 Tubos, aço estrutural e em chapas

Exemplos de aços carbono comuns com baixo teor de carbono (INFOMET, 2018; CALLISTER, 2012).





✓ Aço de médio teor de carbono

• Teor de carbono: Varia entre 0,3%p C e 0,6%pC (CIMM, 2018).

• Possuem baixa temperabilidade: A quantidadede carbono é suficiente para a realização detratamento térmico de têmpera e revenido,mas tais tratamentos precisem ser realizadoscom taxas de resfriamento elevadas e emseções finas para serem efetivos.

AÇOS

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• Os aços de médio carbono possuem maiorresistência e dureza e menor tenacidade eductilidade do que os aços de baixo carbono.

• Aplicações: Incluem rodas e equipamentosferroviários, trilhos, engrenagens, virabrequinse outras peças de máquinas e componentesestruturais que necessitem de razoávelresistência mecânica e ao desgaste, além detenacidade (tabela).

AÇOS






AÇOS

DesignaçãoComposição (% em peso)


Número AISI/SAE

Número UNS

C MnP e S(Máx)

Limite de resistência à tração (MPa)

Limite de escoamento

(MPa)

Ductilidade (%AL, em 50

mm)


1040 G10400 0,36-

0,44

0,60-

0,90

0,040

0,050

605-780 430-585 33-19 Virabrequins, parafusos

1080 G10800 0,74-

0,88

0,60-

0,90

0,040

0,050

800-1310 480-980 24-13 Talhadeiras, martelos

1095 G10950 0,90-

1,04

0,60-

0,90

0,040

0,050

760-1280 510-830 26-10 Facas, lâminas de serra para metais

Exemplos de aços carbono comuns com médio ou alto teor de carbono (INFOMET, 2018; CALLISTER, 2012).

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✓ Aço de alto teor de carbono

• Teor de carbono: Maior que 0,6%p C (CIMM,2018), normalmente até 1,4%p C (CALLISTER,2012).

• Consequentemente são mais duros, maisresistentes e menos dúcteis dentre todos osaços carbonos.

• São quase sempre utilizados na condiçãotemperada e revenida.

AÇOS





✓ Aço de alto teor de carbono

• Nessa condição são especialmente resistentesao desgaste e à abrasão, e possuem boascaracterísticas de manutenção de um bom fiode corte.

• Aplicação: Bastante utilizados em talhadeiras,folhas de serrote, martelos e facas.

• A tabela anterior ilustra dois aços desse tipo,com as suas composições e algumaspropriedades mecânicas.

AÇOS

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➢ Classificação mais comum

✓ Classificação quanto à aplicação – inclui os aços-liga e também os não ligados.

✓ Principais grupos: aços estruturais, aços paraconstrução mecânica, aços-ferramenta e açosinoxidáveis (alta liga).

✓ A seguir serão estudados os aços listados naementa da disciplina, os quais se enquadramdentro de alguns dos grupos acimamencionados.

AÇOS




➢ Aços Estruturais

✓ Aços estruturais, basicamente: vergalhões parareforço de concreto, barras (normalmente emaplicações estáticas), chapas e perfis paraaplicações estruturais, principalmente, emequipamentos de transporte (veículos em geral,equipamento rodoviário, naval, ferroviário etc.).

✓ Características: boas ductilidade e soldabilidade,e elevado valor de relação limite de resistência àtração e limite de escoamento.

AÇOS

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✓ Principais requisitos: tensão de escoamentoelevada, elevada tenacidade, boa soldabilidade,boa conformabilidade e baixo custo.

✓ Em princípio, dois tipos fundamentais: açoscarbono comuns e aços de alta resistência e baixaliga (ARBL).

✓ Aços carbonos comuns

• A maioria apresenta baixo e médio teor decarbono → baixo custo, boa ductilidade esoldabilidade e resistência mecânica satisfatória.

AÇOS





• Utilização: no estado simplesmente laminado,na forma de perfis estruturais - barras, tiras,cantoneiras, vigas (T, U, I, L etc.).

• Em determinadas aplicações, procura-seencruar o material, principalmente quando naforma de barras, de modo a aumentar aresistência mecânica.

✓ Para estruturas e aplicações de maiorresponsabilidade → aços de alta resistência ebaixa liga (ARBL), estudados a seguir.

AÇOS

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✓ Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)

• Grupo de aços com baixo teor de carbono,além de outros elementos de liga, tais como oCu, o V, o Ni e o Mo, em concentraçõescombinadas que podem ser tão elevadasquanto 10% em peso.

• Possuem maior resistência mecânica que osaços-carbono comuns com baixo teor decarbono.

AÇOS






• A maioria ode ter a sua resistência aumentadapor tratamento térmico, proporcionandolimites de resistência à tração superiores a 480MPa.

• São dúcteis, conformáveis e usináveis.

• Em meios atmosféricos normais, são maisresistentes à corrosão que os aços-carbonocomuns.

AÇOS

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• Substituíram os aços carbonos comuns emmuitas aplicações onde a resistência estruturalé um fator crítico: pontes, torres, colunas desuporte em prédios altos, e vasos de pressão.

• A tabela a seguir ilustra a composição químicae as propriedades mecânicas para algunsdesses aços.

AÇOS





✓ Classificação ASTM

• Neste sistema os aços para uso estrutural sãoidentificados pela letra A , seguida por dois,três ou quatro dígitos.

• Os aços com especificação de quatro dígitossão usados para aplicações de engenhariamecânica, máquinas e veículos e formam umaclassificação distinta, que não seráapresentada aqui.

AÇOS

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AÇOS

Exemplos de aços ARBL (CALLISTER, 2012).

Designação Composição (% em peso) Propriedades mecânicas

Número AISI/SAE ou

ASTM

Número UNS

C Mn Outros

Limite de resistência

à tração (MPa)

Limite de escoamento (MPa)

Ductilidade (%AL, em 50 mm)


A440 K12810 0,28 1,35 0,30Si (máx.); 0,20Cu(mín.)

435 290 21 Estruturas aparafusadas ou rebitadas

A633 Classe E K12002 0,22 1,35 0,30Si; 0,08V;0,02N; 0,03Nb

520 380 23 Estruturas usadas para baixas temperaturas ambiente

A656 Classe 1 K11804 0,18 1,60 0,60Si; 0,1V; 0,20Al; 0,015N

655 552 15 Chassis de caminhões e vagões de trens






• Os aços com especificações de dois e trêsdígitos aplicam-se a laminados planos, formasestruturais, chapas-perfis interconectáveis ebarras.

• A tabela a seguir lista as especificações geraispara os aços estruturais do grupo A,englobando aplicações de construção civil,construção naval e ferroviária.

AÇOS

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AÇOS






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✓ Mais usados (CIMM, 2018)

• Por composição e tratamento

- Aços carbono: A36/A36M, A53/A53M, A500,A501, A529/A529M

- Aços de alta resistência e baixa liga: A441,A572/A572M, A618

- Aços de alta resistência e baixa liga resistentes àcorrosão: A242/A242M, A588/A588M

- Aços liga temperados e revenidos: A514/A514M,A517

AÇOS






• Por utilização

- Formas estruturais laminadas a quente:A36/A36M, A529/A529M, A572/A572M,A588/A588M, A709/A709M, A913/A913M,A922/A922M

- Tubos: A500, A501,A618, A847

- Tubos seção circular: A53/A53M

AÇOS

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• Por utilização

- Placas e chapas grossas: A36/A36M,A242/A242M, A283/A283M, A514/A514M,A529/A529M, A572/A572M, A588/A588M,A709/A709M, A852/A852M, A1011/A1011M

- Barras e vergalhões: A36/A36M,A529/A529M, A572/A572M, A615/A615M,A616, A617, A706/A706M, A709/A709MChapas: A606, A1011/A1011M.

AÇOS




➢ Aços Para Construção Mecânica

✓ Aços usualmente fornecidos para atender faixasde composição química, uma vez que,normalmente, são tratados termicamente paraobter as propriedades finais após oprocessamento pelo comprador.

✓ Principal tipos: aços para beneficiamento(ligados ou não), aços para molas, aços pararolamentos, aços para cementação, aços paranitretação e aços de corte livre (ou usinagemfácil).

AÇOS

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✓ Aços para beneficiamento

• Teor de carbono: geralmente situado acima de0,25%, podendo ser ligados ou não ligados.

• Emprego: fabricação de peças que requerem umaboa combinação de resistência e tenacidade, comvalores relativamente uniformes em toda a seçãoou até uma certa profundidade.

• Essas propriedades são obtidas por meio detêmpera e revenimento, que constituem oprocesso conhecido como beneficiamento.

AÇOS






• A têmpera é um tratamento de endurecimento,capaz de produzir aumento das propriedadesde resistência, provocando porém uma reduçãoda tenacidade e da ductilidade.

• O revenimento tem por fim abrandar os efeitosda têmpera, melhorando a tenacidade e aductilidade com um prejuízocomparativamente pequeno das propriedadesde resistência.

AÇOS

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• As tabelas a seguir ilustram a designação,composição, características de fabricação eaplicações dos tipos de aço parabeneficiamento mais comuns.

AÇOS

AISISAE

UNSCOMPOSIÇÃO QUÍMICA

C Si Mn Cr Ni Mo

8640 G864001,6543-

0,40- 0,85 0,50 0,55 0,20

4140 G41400 0,40 - 0,90 0,90 - 0,20

4340 G43400 0,40 - 0,70 0,80 1,85 0,25

52100 G52100 1,05 0,27 0,30 1,45 - -






AÇOS

AISISAE

UNS APLICAÇÕES

8640 G86400

Fabricação de eixos, pinos, bielas, virabrequins e peças para a indústria agrícola, automobilística, de máquinas e equipamentos, etc. Aplicados em eixos de média e alta solicitação mecânica.

4140 G41400

Fabricação de eixos, pinos, grampos, fixadores para a indústria agrícola, automobilística, de máquinas e equipamentos. Aplicado em eixos de média a alta solicitação mecânica.

4340 G43400Fabricação de eixos, bielas, virabrequins e peças com exigências de alta solicitação mecânica, na indústria aeroespacial, automobilística, de máquinas e equipamentos, etc.

52100 G52100Fabricação de capas de rolamentos, esferas, punções varadores, pinos guia para matrizes de injeção, pino extrator, roletes de rolamentos e peças em geral. Utilizados em componentes de média resistência mecânica

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AÇOS

AISISAE

UNS CARACTERÍSTICAS

8640 G86400Aço de boa temperabilidade, boa forjabilidade, boa usinabilidade e boa soldabilidade.

4140 G41400Aço de boa temperabilidade, boa forjabilidade e baixa soldabilidade. Na condição recozida apresenta boa usinabilidade.

4340 G43400Aço de elevada temperabilidade e boa forjabilidade, porém com baixo nível de usinabilidade e soldabilidade

52100 G52100

Alta temperabilidade, dureza e resistência ao desgaste. Sua aplicação é restrita a temperatura até 150 °C, acima dessa temperatura, diminui a dureza. Má soldabilidade, alta resistência ao desgaste na condição beneficiada.





✓ Aços de ultra alta resistência

• Desenvolvidos principalmente pelanecessidade de aplicações da indústriaaeronáutica, mas cuja utilização está seestendendo para outros setores daengenharia.

• Propriedades: elevada relaçãoresistência/peso, limite de escoamentosuperior a 1470 MPa, além de tenacidade,resistência à fadiga e soldabilidade aceitáveis

AÇOS

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• As excepcionais propriedades mecânicas sãoconseguidas por meio do emprego de tratamentostérmicos em composições contendo diversoselementos de liga em teores geralmente baixos.

• Aço maraging (martensite + aging): tipo especialde aço ultra-resistente - os elementos de liga estãoem teores mais elevados (como níquel até 18% oumais), além de possuírem cobalto, molibdênio,titânio e baixo carbono.

AÇOS






• A combinação de elementos de liga produz trêsefeitos práticos: (1) conferir ao aço uma elevadatemperabilidade, (2) gerar uma martensita debaixa dureza no estado como temperado ao sediminuírem os efeitos produzidos pelo carbononas propriedades da matriz, e (3) induzir aprecipitação de compostos intermetálicosdurante um tratamento de envelhecimentoposterior à têmpera.

AÇOS

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• Através destes três fatores, produz-se um açoque possui uma tenacidade à fratura superiorà dos aços convencionais para resistênciasmecânicas similares.

• Os aços maraging podem atingir valores deresistência à tração da ordem de 2745 MPa,além de excelente ductilidade.

• A seguir alguns exemplos de aços de ultra-altaresistência.

AÇOS






• SAE 4330 ou 4340 modificados com até 1,5%Si;

• SAE 4137 com cobalto.

• Aços maraging são obtidos por tratamento deendurecimento por precipitação de compostosintermetálicos, o que permite atingir-sevalores de resistência à tração da ordem de2745 MPa, além de excelente ductilidade.

AÇOS

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AÇOS





✓ Aços para cementação

• Aços de baixo teor de carbono, comuns ouligados.

• Possuem teor de carbono normalmente entre0,08% e 0,25%, sendo o 1020 o mais comum

• Os aços carbonos comuns, após cementados,temperados e revenidos, adquirem um núcleode boa resistência mecânica (700 MPa)combinado com uma camada superficial durae resistente ao desgaste.

AÇOS

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• Introdução de elementos de liga: objetiva deproduzir um núcleo mais tenaz, uma camadasuperficial mais dura e igualmente tenaz e umazona de transição mais gradual, para proporcionarmelhor suporte à camada cementada.

• Aços de baixo teores de elemento de liga maisutilizados: SAE 31xx, 41xx, 46xx, 51xx, 61xx, 86xx,87xx e 94xx, com teor de carbono máximo de0,23%. A soma total dos elementos de ligararamente ultrapassa 2,0%.

AÇOS






• Esses aços possuem temperabilidade suficientepara serem temperados em óleo, atingindo nonúcleo resistências superiores a 1000 MPa,mantendo bons valores de ductilidade.

• Aplicações típicas: engrenagens de transmissão,mancais antifricção, coroas, pinhões, pinos,engrenagens de diferencial, parafusos paraveículos, eixos de comando de válvulas, eixo debombas, engrenagens de redutores, engrenagensde máquinas operatrizes, dentre outras.

AÇOS

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• Para valores mais elevados de resistência mecânica ede tenacidade no núcleo (condições de serviço maiscríticas) – aumenta-se o teor dos elementos de liga,de modo que a soma total ultrapasse os 2,0%

• Alguns aços desse tipo: SAE 23xx, 33xx, 43xx e 48xx,com teor de carbono máximo de 0,23%.

• Aplicações: mesmas anteriores, mas para serviçosmais pesados (caminhões, tratores, ônibus, indústriaaeronáutica etc.).

AÇOS





✓ Aços resistentes ao desgaste

• Tipos de desgastes: desgaste metálico, desgasteabrasivo e erosão.

• A resistência ao desgaste dos metais dependedos seguintes fatores.

- Acabamento superficial – sem rugosidadeacentuada, para eliminar depressões ouprojeções, que durante o movimentoproduzem o arrancamento ou deslocamentoinicial de partículas.

AÇOS

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- Dureza – mais importante - dela depende o iníciodo desgaste.

- Estrutura do aço – deve-se produzir uma matrizrelativamente macia com partículas durasuniformemente dispersas, geralmente decarbonetos.

• Aço Hadfield: tipo manganês-austenítico, com altoteor de C (1,0 a 1,4%) e alto teor de Mn (10 a 14%).Elementos (Cr, Ni e Cu) podem ser adicionados paramelhorar a resistência ao desgaste abrasivo.

AÇOS






• Carbonetos presentes - conferem grande fragilidadeao material, mas as propriedades mecânicasnecessárias são obtidas por tratamento térmico –matriz austenítica macia com carbonetos durosdispersos - dureza baixa, entre HB 180 a 220, maselevada ductilidade, alongamento entre 30 e 60%).

• Quando o aço em serviço, ocorre notávelencruamento, com formação simultânea de algumamartensita, aumentando-se significamente a dureza(HB 500 a 600).

AÇOS

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• Aplicações típicas: peças que exigem altaresistência ao desgaste - mandíbulas debritadores, moinhos de bolas, caçambas dedragas e de escavadeiras, dentre outras.

AÇOS




➢ Aços de Alta Liga

✓ Aços inoxidáveis

• Altamente resistentes à corrosão em umavariedade de ambientes, especialmente aatmosfera ambiente.

• Seu elemento de liga predominante é o cromo,cuja concentração necessária para prover aspropriedades de resistência à corrosão é de pelomenos 12% em peso.

• A resistência à corrosão pode também sermelhorada com adições de níquel e molibdênio.

AÇOS

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• Os aços inoxidáveis são ligas de ferro (Fe),carbono (C) e cromo (Cr) com um mínimo de12% de Cr.

• Outros elementos metálicos também integramestas ligas, mas o Cr é considerado o elementomais importante porque é o que dá aos açosinoxidáveis uma elevada resistência à corrosão(passividade).

AÇOS






• Classificação quanto à microestrutura àtemperatura ambiente e com a possibilidade deendurecimento por precipitação: ferríticos,martensíticos, austeníticos e endurecíveis porprecipitação.

• A classificação mais simples e mais usada dosaços inoxidáveis leva em consideração somentea sua microestrutura e, dessa forma, apenas ostrês primeiros grupos serão aqui considerados.

AÇOS

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✓ Aços inoxidáveis ferríticos

• Assim chamados por apresentarem estruturaessencialmente ferrítica (ferrita + carbonetos)após os tratamentos térmicos normais.

• Faixa de composição de cromo: amplacorrespondente à fase alfa, com cerca de 12 a30%, com teor de carbono máximo de 0,20%.

• O cromo apresenta estrutura CCC: amplia aregião da fase em detrimento da fase γ(austenita).

AÇOS






• Consequência: formação de uma pequena regiãode estabilidade da austenita e um intervalo decomposição ampla de existência da ferrita nodiagrama de fases Fe-Cr (figura).

• No entanto, a análise da microestrutura dessesaços deve ser feita sobre o diagrama Fe-Cr-C,devido ao forte efeito estabilizador daaustenita pelo carbono (figura).

AÇOS

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AÇOS

Diagrama de fase

Fe-Cr (adaptada

de METALS

HANDBOOK –

ASM, 1973).






AÇOS

Diagrama

pseudobinários Fe-C

com 12%Cr (METALS

HANDBOOK – ASM,

1973).

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• Como possuem teores de cromo superiores a12%, não sofrem a transformação CCC→CFC (ousofrem pouca) durante o resfriamento, obtendo-se, essencialmente, soluções sólidas de cromoem ferro- desde temperaturas elevadas.

• São relativamente baratos: não contém níquel.

• Possuem boa resistência à corrosão e ao calor eboa estampabilidade.

AÇOS






• Podem ainda receber adições de Ti e Nb, paramelhorar a estabilização da ferrita.

• A ausência de Ni melhora o desempenho emrelação aos austeníticos, em ambientes com S, atemperaturas elevadas.

• Podem ser utilizados em aplicações querequeiram boas características de resistência àcorrosão, em especial à trincas de corrosão sobtensão, e de tenacidade média a baixa.

AÇOS

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• Aplicações: eixos para bombas, turbinas a vapore à água, porcas, parafusos, aquecedores deágua quente, indústrias de papel e alimentícia,devido a exigências mais baixas quanto aresistência à corrosão.

• Designação sistema AISI-SAE: aços inoxidáveisda série 400.

• A tabela a seguir ilustra alguns tipos de açosinoxidáveis ferríticos.

AÇOS






AÇOS

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✓ Aços inoxidáveis austeníticos

• Possuem estrutura austenítica (CFC, tipo ferro-γ)mesmo à temperatura ambiente.

• São os mais comuns entre os aços inoxidáveis.

• São caracterizados por resistência à corrosãomuito boa, elevada tenacidade e boasoldabilidade.

• Essencialmente ligas ternárias Fe-Cr-Ni,contendo cerca de 16 a 25% Cr e 7 a 20% Ni.

AÇOS






• A estrutura CFC é estabilizada à temperaturaambiente pela adição de Ni e outros elementosgamagêneos (Mn, por exemplo).

• Normalmente têm melhor resistência à corrosãoque os ferríticos e os martensíticos.

• Podem se tornar susceptíveis à corrosãointergranular forem soldados ou resfriadoslentamente a partir de temperaturas elevadas até ointervalo de 870°C a 600°C - precipitação decarboneto de cromo nos contornos de grão.

•

AÇOS

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• Isto pode ser evitado para alguns tipos de açoaustenítico pela diminuição do teor de carbonopara cerca de 0,03% (tipo 304L) ou pela adiçãode um elemento de liga, tal como o nióbio (tipo347), para se combinar com o carbono da liga(SMITH, 1998; CHIAVERINI, 2002).

• A adição de molibdênio melhora a capacidadedesses materiais de resistir à corrosão emsoluções de cloretos (corrosão por pites).

AÇOS






• Apresentam elevada capacidade de deformaçãoem função de sua estrutura cristalina CFC.

• Não são endurecíveis por têmpera (austeníticos)- o aumento da dureza e resistência mecânicasomente será possível por encruamento.

• À medida que o teor de níquel aumenta, o efeitodo encruamento é menos pronunciado, tendoem vista a atuação estabilizadora desteelemento (CHIAVERINI, 2002).

AÇOS

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• Apresentam elevada capacidade de deformação emfunção de sua estrutura cristalina CFC.

• Não são endurecíveis por têmpera (austeníticos) - oaumento da dureza e resistência mecânica somenteserá possível por encruamento.

• Estrutura austenítica: especialmente interessantetanto para aplicações criogênitas (não sofremtransição dúctil-frágil) como para aplicações àtemperatura elevada, em função da resistência aoamolecimento e resistência à deformação a quente.

AÇOS






• As tabelas a seguir apresentam a composição eas aplicações dos principais aços inoxidáveisausteníticos (COSTA E SILVA et al., 2006).

AÇOS

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AÇOS

Tipo

Composição Química Diretriz (%)

C máx

Cr Ni Mnmáx

Momáx

Simáx

Pmáx

Smáx

AISI 303 0,15 18,0 9,0 - 0,6 - - 0,15

AISI 304 0,08 19,0 10,0 2,0 - 1,0 0,045 0,03

AISI 304L 0,03 19,0 10,0 2,0 - 1,0 0,045 0,03

AISI 316 0,08 17,0 12,0 2,0 2,5 1,0 0,045 0,03

AISI 316L 0,03 17,0 12,0 2,0 2,5 1,0 0,045 0,03

O Mo é adicionado para aumentar a resistência à corrosão localizada, tais

como corrosão por pite.






AÇOS

Tipo Aplicações específicas

303Peças torneadas para indústrias alimentícia e leiteira. Peças produzidas em tornos automáticos: parafusos, pinos, porcas atc. Peças para indústria automobilística e aeronáutica.

304

Válvulas e peças de tubulações; equipamentos hospitalares, trocadores de calor, equipamentos para indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas, alimentícias e de celulose. Armações metálicas, peças para construção mecânica, parafusos, rebites, tirantes, fio para molas etc.

304LMesmas aplicações do AISI 304, para artes soldadas que não podem ser solubilizadas posteriormente. É também aplicado nas indústrias aeronáutica e elétrica

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AÇOS


316

Mesmas aplicações do AISI 304, além de peças para construção naval. Possui melhor resistência à corrosão e oxidação que o AISI 304, além de propriedades mecânica superiores. É amplamente empregado na indústria de papel.

316L Mesmas aplicações do AISI 316, para partes soldadas.





✓ Aços inoxidáveis martensíticos

• São fundamentalmente ligas Fe-Cr com o teor decromo variando entre 12 e 17% e o teor decarbono entre 0,15 e 1,00%.

• A adição de carbono nesta quantidade amplia arestrita região da fase gama, tornando possível atransformação martensítica a partir da estruturaaustenítica com o tratamento de têmpera.

• Além disso, pode ocorrer endurecimentosecundário (precipitação de carboneto de Cr).

AÇOS

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• Recebem a denominação de martensíticos emvirtude de possuírem a capacidade dedesenvolver uma estrutura martensítica quandosubmetidos ao tratamento de austenitização etêmpera.

• Aplicações criogênicas: não são empregadas -Temperaturas de transição dúctil-frágil baixas.

• Soldabilidade: limitada pela elevadíssimatemperabilidade, mas pode ser melhorada.

AÇOS






• Em função da estrutura martensítica, tais açosapresentam elevada resistência mecânica edureza; entretanto, a resistência à corrosão érelativamente baixa quando comparada aos açosdo tipo ferríticos e austeníticos.

• Portanto, a seleção entre um aço ferrítico ouaustenítico e um martensítico é feita em funçãodo compromisso entre as propriedades mecânicase a resistência à corrosão (BRESCIANI FILHO,1986).

AÇOS

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• As tabelas a seguir apresentam a composição eas aplicações dos principais aços inoxidáveismartensíticos (COSTA E SILVA et al., 2006).

AÇOS






AÇOS

Tipo

Composição Química Diretriz (%)

C Cr NiMÁX

MoMÁX

AIS 410 0,10 12,5 - -

AISI 420 0,20 13,0 - -

AISI 440C 1,10 17,5 0,75 0,75

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AÇOS


AISI 410

Palhetas para turbinas a vapor, eixos e rotores de bombas, pistões de motores marítimos; componentes para indústria petroquímica, alimentícia e farmacêutica; facas.

AISI 420

Peças para construção mecânica exigindo alta tenacidade, por exemplo: eixos e peças diversas para bombas, pás e peças para turbinas a vapor, válvulas. Para artigos de cutelaria, instrumentos cirúrgicos e dentários, componentes de forma e instrumentos de medição, pode ser usado o aço 420AC (C = 0,34%)

AISI 440C

Rolamentos especiais, submetidos à ação de agentes corrosivos ou a altas temperaturas. Instrumentos cirúrgicos e dentários, artigos de cutelaria, peças para bombas de óleo, assento de válvulas etc. Rolos para conformação de embalagens, por exemplo: latas de cerveja, óleo, produtos comestíveis etc.





✓ Aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação

• Em função da estrutura martensítica, tais açosapresentam elevada resistência mecânica edureza; entretanto, a resistência à corrosão érelativamente baixa quando comparada aos açosdo tipo ferríticos e austeníticos.

AÇOS

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➢ Generalidades

✓ Os ferros fundidos são ligas quaternárias de ferro,carbono, silício e manganês, que podem ainda teroutros elementos de liga destinados a melhorardeterminadas propriedades.

✓ O teor de carbono desses materiais varia entre2,11 e 6,67% (usualmente, entre 2,5 e 3,8%) e têmum baixo ponto de fusão.

✓ Para teores crescentes de carbono é cada vez maisbaixa a temperatura necessária para a fusãocompleta dessas ligas, até 4,3%.

FERROS FUNDIDOS




➢ Generalidades

✓ Além desse limite, a referida temperatura se elevanovamente, à medida que o teor de carbonoaumenta.

✓ A liga com 4,3%, portanto, é a mais fusível detodas, razão pela qual recebe o nome de eutética.

✓ Em função disso, os ferros fundidos com menos de4,3% são denominados hipoeutéticos e os commais de 4,3% hipereutéticos.

FERROS FUNDIDOS

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➢ Generalidades

✓ Em virtude desses materiais se fundirem atemperaturas cerca de 300ºC mais baixas que asexigidas para os aços, seu custo de produção émenor, pois o consumo de combustível, bem comoo de refratário para o forno, é menor.

✓ Por esta razão, são materiais bastante usados,sobretudo na obtenção de peças inteiriças, àsvezes de formas complexas, onde a construçãomecânica soldada não é possível ou não éeconômica.

FERROS FUNDIDOS




➢ O carbono no ferro fundido

✓ O carbono, como elemento de liga principal, estápresente nos ferros fundidos sob duas formas:grafita (carbono livre) e carboneto de ferro (carbonocombinado - cementita).

✓ O teor de carbono no ferro fundido, portanto, é asoma do carbono combinado com o carbonografítico (Ct = Cc + Cg).

✓ Estas duas formas, sob as quais o carbono podeapresentar-se, classificam os ferros fundidos,inicialmente, em dois grandes grupos: ferrosfundidos brancos e ferros fundidos cinzentos.

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✓ Estas duas formas, sob as quais o carbono podeapresentar-se, classificam os ferros fundidos,inicialmente, em dois grandes grupos: ferrosfundidos brancos e ferros fundidos cinzentos.

✓ Quando todo o carbono está sob a formacombinada, a fratura da peça é de aspecto claro,esbranquiçado - ferro fundido branco.

✓ Quando parte do carbono está sob a forma degrafita, o aspecto da fratura é escuro - ferrofundido cinzento.

FERROS FUNDIDOS





✓ A grafita normalmente se separa no momento dasolidificação, mas também pode resultar dadecomposição da cementita (Fe3C → 3Fe + C).

✓ A grafita, em seção polida, se apresenta aomicroscópio sob a forma de veios ou em partículasvermiformes agrupadas.

✓ A precipitação do carbono na forma de grafita,durante a solidificação, atenua a tendência àcontração do metal com o resfriamento,produzindo fundições de boa qualidade.

FERROS FUNDIDOS

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✓ A grafita também permite uma excelenteusinabilidade, boa absorção de vibrações e atuacomo lubrificante nas superfícies de desgaste.

➢ Fatores que interferem em sua formação

✓ Dois são os fatores mais importantes que decidemse o ferro fundido, ao solidificar, tornar-se-ábranco ou cinzento: a composição química e avelocidade de resfriamento.

FERROS FUNDIDOS





✓ Composição química

• Os ferros fundidos contém, além do ferro e docarbono, outros elementos tais como o silício, omanganês, o enxofre e o fósforo, dentre outros.

• Esses elementos, em presença de teores maisaltos de carbono, exercem notável influênciasobre a microestrutura e as propriedades dosferros fundidos - é de suas proporções quemuito dependerá a formação ou não de grafita(produto resultante branco ou cinzento).

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• Elementos grafitizantes (inibidores da formação dacementita): Si, Al, Ti e Cu.

• Elementos antigrafitizantes (favorecedores daformação de cementita): Mo, Mn, Cr e V.

• Carbono: nos produtos industriais, está presenteem teores que variam entre 2,5 e 3,8%. Para teoresbaixos tendência de formar-se o tipo branco; àmedida que o teor aumenta há condições para omaterial se tornar cinzento ficam favorecidas.

FERROS FUNDIDOS






• Silício: em teores entre 0,5 e 3,5%. Funçãoprincipal é a de promover a formação dagrafita (inibindo a formação de cementita) e dedeterminadas microestruturas.

• Enxofre: tende a combinar-se com o ferro,formando um sulfeto que se deposita nasfronteiras do grão, diminuindo a resistênciamecânica; por isso o seu teor deve ser inferior a0,02%.

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• Manganês:

- Tem um efeito de neutralizar a ação do enxofre,formando com este MnS, tornando-o umelemento necessário na composição;

- Também atua como desoxidante;

- Por ser antigrafitizante, a sua presença deve serlimitada nos ferros fundidos cinzentos (0,5% <Mn < 1,5%).

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• Fósforo:

- aumenta a fluidez a quente e diminui atemperatura de fusão do ferro fundido, o quepermite moldar peças de paredes mais finas ede contornos mais nítidos;

- aumenta a fragilidade da peça – limita o seuteor máximo para 1,5%, mas normalmente nãoultrapassa 0,35%.

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✓ Velocidade de resfriamento

• Como a decomposição da cementita necessitade certo tempo para ocorrer, embora muitocurto em altas temperaturas, pode-se atenuá-la,ou mesmo evitá-la totalmente, por meio de umresfriamento rápido desde o início dasolidificação.

• Velocidade de resfriamento - depende de doisfatores principais: material do molde e espessuradas peças fundidas.

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• Como a decomposição da cementita necessitade certo tempo para ocorrer, embora muitocurto em altas temperaturas, pode-se atenuá-la,ou mesmo evitá-la totalmente, por meio de umresfriamento rápido desde o início dasolidificação.

• Moldes de areia - resfriamento lento, favorece aformação de grafita.

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• Moldes metálicos (coquilhas) - resfriamentorápido, dificultam a formação de grafita,especialmente se forem espessos.

• Peças mais espessas - resfriam mais devagar,terão mais grafita, ou grafita mais desenvolvida,do que as peças pequenas ou de paredesdelgadas.

• Porção interna da peça, leva mais tempo paraesfriar, os veios de grafita serão maiores.

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➢ Tipos de ferros fundidos

✓ Os ferros fundidos apresentam uma extensa gamade resistências mecânicas e de durezas, e namaioria dos casos são de fácil usinagem.

✓ Através da adição de elementos de liga é possívelobter-se excelente resistência ao desgaste, àabrasão e à corrosão, porém, em geral, aresistência ao impacto e a ductilidade sãorelativamente baixas, limitando sua utilização emalgumas aplicações.

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✓ De acordo com a composição química e com adistribuição de carbono na sua microestrutura, osferros fundidos podem ser classificados em quatrograndes categorias:

a) Ferro fundido cinzento

b) Ferro fundido branco

c) Ferro fundido nodular ou esferoidal

d) Ferro fundido maleável ou dúctil.

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✓ Ferro fundido cinzento

• Utilizado no estado fundido (vazado), paranumerosos fins.

• As lamelas de grafita, que do ponto de vistamecânico atuam como se fossem pequenastrincas, conferem ao metal uma boausinabilidade, uma vez que as aparas (cavacos)se desprendem com facilidade.

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• As lamelas de grafita conferem aos ferros fundidoscinzentos uma elevada capacidade deamortecimento, o que é importante na absorçãodas vibrações. Esses materiais possuem maiscapacidade de amortecer vibrações do que o aço.

• A disposição dos veios da grafita e a sua baixaresistência comprometem seriamente a coesão doconjunto, principalmente quando os veios sãograndes ou muito agrupados, de modo que essematerial não pode ser deformado ou dobrado.

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• Devido à existência da grafita, que é umlubrificante sólido, os ferros fundidos cinzentostêm propriedades autolubrificantes, o que éinteressante em algumas aplicações onde obaixo coeficiente de atrito é importante, comono caso de transmissões por engrenagens.

• A tensão de ruptura à compressão é muitosuperior à tensão de ruptura à tração.

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• Possui reduzida ductilidade, mas é menos duro emenos frágil que o branco e pode ser trabalhadocom ferramentas comuns nos processos deusinagem.

• Apresenta apreciável resistência à corrosão. Aresistência à corrosão na presença de água salgadaé superior à dos demais ferros fundidos - aslamelas de grafita criam uma barreira à libertaçãodos produtos de corrosão e, em consequência,limitam a deterioração do material.

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• O teor de carbono dos ferros fundidos cinzentoscomuns é da ordem de 2,7 a 3,7% e o de silício de 1a 2,8%.

• A sua utilização é muito variada, desde blocos demotores a êmbolos, corpos de válvulas, volantes,prensas, transmissões por engrenagens, corpos debombas e de equipamentos do convés deembarcações etc.

• A figura a seguir mostra a microestrutura de umferro fundido cinzento.

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Observam-se veios/lamelas de grafita numa matriz com pequena porção

de ferrita limpa e predominância de perlita (COLPAERT, 1974).





✓ Ferro fundido branco

• Possui o carbono na forma de carboneto(cementita), por isso, é demasiado duro para serusinado (só pode ser trabalhado comferramentas especiais e, assim mesmo, comdificuldade), o que faz com que a peça dessematerial seja obtida já na sua forma final.

• Tem boa resistência ao desgaste e à abrasão, oque o torna de grande uso nas aplicações emequipamentos de construção civil, agrícola etc.

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✓ Ferro fundido branco

• Apresenta uma superfície de fratura deaparência frágil.

• O seu emprego se restringe aos casos em que sebusca dureza e resistência ao desgaste muitoaltas sem que a peça necessite ser ao mesmotempo dúctil. Por isso, dos dois tipos de ferrofundido, o cinzento é o mais usado.

• A figura a seguir ilustra a microestrutura de umferro fundido branco.

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O constituinte branco é o carboneto de ferro e as áreas cinzentas a perlita (COLPAERT, 1974).

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✓ Ferros fundidos nodulares ou esferoidais

• Também chamados de dúcteis, apresentam umaestrutura obtida diretamente da fundição de ferrofundido cinzento, adicionando uma pequenaquantidade de magnésio e césio, elementos quefazem precipitar nódulos de grafita que crescemna direção radial, com o resfriamento; estatendência é dificultada pela presença de MnS.

• São cada vez mais utilizados e têm boaspropriedades mecânicas e ótimas propriedades defundição e usinagem.

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• Apresentam boa resistência ao desgaste, elevadausinabilidade e resistência à fadiga.

• Também apresentam melhor resistência aochoque e aos esforços estáticos do que o ferrofundido cinzento.

• Em contrapartida, possuem menor capacidadede amortecimento de vibrações e menorcondutibilidade térmica.

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• Podem atingir tensões de ruptura superiores a800 MPa.

• As boas propriedades dessas ligas devem-se àpresença de nódulos esféricos de grafita na suamicroestrutura, que geralmente no caso dosferros não ligados, são compostas da seguinteforma: nódulos esféricos de grafite rodeados porferrita numa matriz de perlita, conformemostram as figuras abaixo.

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• São usados em carcaças de válvulas e debombas, caixas redutoras, etc.

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Microestrutura de um

ferro fundido dúctil

(COLPAERT, 1974).

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✓ Ferros fundidos maleáveis

• São obtidos a partir de ferro fundido branco,submetidos a tratamento térmico apósvazamento (800 a 1000 °C) para eliminação decementita.

• Contém aproximadamente 0,6% a 1% de Si,suficiente para promover a decomposição dacementita durante o tratamento térmico, masinsuficiente para originar lamelas de grafitadurante a solidificação.

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• Ferro fundido maleável de núcleo branco (GTW) -obtido por aquecimento da peça vazada ematmosfera oxidante para descarbonetar ascamadas superficiais.

• Ferro fundido maleável de núcleo negro (GTS) -obtido por aquecimento da peça a cerca de 900°C, em ambiente neutro, durante horas, a fim dedecompor a cementita em nódulos de grafita emforma de rosetas, que não têm o efeito prejudicialdo trincamento das lamelas de grafita.

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• Conseguem apresentar propriedades semelhantesàs do aço de construção - muito utilizados emengenharia em geral e em máquinas agrícolas.

• Apresentam uma elevada tenacidade, boaspropriedades de fundição e excelenteusinabilidade.

• A figura mostra a microestrutura de um ferrofundido maleável, onde se observa nódulos degrafita numa matriz ferrítica.

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Microestrutura de um ferro fundido maleável (COLPAERT, 1974).

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Composição dos ferros fundidos típicos, não ligados(COLPAERT, 1974).

TIPOCOMPOSIÇÃO

C Si Mn S P

Cinzento 2,5-4,0 1,0-3,0 0,25-1,0 0,02-0,25 0,05-1,0

Branco 1,8-3,6 0,5-1,9 0,25-0,80 0,06-0,20 0,06-0,18

Maleável 2,0-2,6 1,1-1,6 0,20-1,0 0,04-0,18 0,18 máx.

Dúctil 3,0-4,0 1,8-2,8 0,10-1,0 0,03 máx. 0,10 máx.





✓ Ferros fundidos especiais

• Ferro fundido normal - os elementosfundamentais são o ferro e o carbono, aparecendooutros elementos como o silício, o manganês, ofósforo e o enxofre, em porcentagens reduzidas,constituindo, em alguns casos, impurezas.

• Ferros fundidos brancos especiais - adicionam-seintencionalmente elementos como o níquel, ocromo, o molibdênio e outros, em quantidadesapreciáveis com o fim de obter uma melhoria dassuas propriedades.

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• Considera-se como ferro fundido especial àqueleque contenha um ou vários desses elementos emporcentagens superiores às abaixo indicadas:

• Algumas dessas ligas, além de apresentarem elevadaporcentagem de elementos de liga, são submetidasa tratamentos térmicos e químicos adequados àobtenção de determinadas propriedades.

FERROS FUNDIDOS

Ni Cr Cu Ti V Mo Al Si Mn0,30% 0,20% 0,35% 0,10 0,10% 0,10% 0,10% 0,10% 1,5%






• O grande interesse na utilização destes ferrosfundidos reside no fato de se conseguir obtermuitas características iguais ou superiores às dosaços, permitindo o seu uso na obtenção depeças por fundição.

• Dentre essas características têm-se: resistênciamecânica a quente, resistência à oxidação eestabilidade a temperaturas elevadas, eresistência à corrosão.

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• A título de exemplo, serão citados dois tipos deferros fundidos especiais:

- ferros fundidos resistentes ao calor

- ferros fundidos resistentes ao desgaste.

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✓ Ferros fundidos resistentes ao calor e à corrosão

• A porcentagem de silício varia entre 4 e 10%, oque faz com que a grafita se distribuauniformemente, formando uma estrutura finaque assegura uma elevada resistência àpenetração dos gases.

• O silício, quando em porcentagens elevadas,torna o ferro quebradiço, não devendoultrapassar os 6% nesses materiais.

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• Quando as exigências são mais elevadas, pode-se recorrer a ferros fundidos com 1,4 a 4% decromo, associado a 12 ou 14% de níquel, ouentão, introduzir apenas cromo emporcentagens entre 28 e 36%.

• Os ferros fundidos de cromo e níqueldenominam-se austeníticos. Resistem bem avariações de temperatura, mesmo da ordem de1000 °C, e são não-magnéticos.

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• São também resistentes à corrosão porqueapresentam uma estrutura densa e compacta,livre de inclusões não-metálicas.

• Estes materiais são utilizados na fabricação degrelhas e cadinhos de fornos, moldes para aindústria de vidro, cubas etc.

• A tabela a seguir destaca a composição química,a resistência à tração e a dureza de algumasdessas ligas.

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FERROS FUNDIDOS

Tipo

Elementos(%)


C Si Mn S P Ni Cr Al Mot

(MPa)HB

Resistentes ao

calor e à corrosão

Elevada % de Si

2,75,5 6,5

0,3 0,5

≤ 0,1 ≤ 0,1160180

180300

Elevada % de Cr

≤ 1,5 ≤ 1,7<

1,0≤ 0,1 ≤ 0,1

28,032,0

320360

Ni + Cr Austeníti

cos

2,6 3,0

1,5 2,7

1,0 2,0

< 0,1 ≤ 0,2 141,54,0

6,0220250

130160





✓ Ferros fundidos resistentes ao desgaste

• Dois tipos fundamentais: resistentes ao desgastepor abrasão e resistentes ao desgaste por choque.

• Os primeiros contêm níquel, cromo e molibdênio,o que permite a obtenção de uma estrutura muitodura e de alta resistência (estrutura martensítica).

• Os segundos contêm cromo e alumínio, e sãosubmetidos a tratamento termoquímico a 525ºC,em uma atmosfera de amônia para

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• São utilizados em carcaças de britadeiras,parafusos de transmissão, bombas, camisas demotores de caminhão e motores de competição.

• A tabela a seguir destaca a composição química, aresistência à tração e a dureza de algumas dessasligas.

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FERROS FUNDIDOS

Tipo

Elementos(%)


C Si Mn S P Ni Cr Al Mot

(MPa)HB

Resistentes ao desgaste por

abrasão

3,04,0

0,5 1,5

0,5 1,5

< 0,1 ≤ 0,12,06,0

0,52,5

2,0 > 450

Resistentes ao desgaste por

choque

2,6 2,9

2,4 2,7

0,9 1,1

< 0,1 ≤ 0,11,52,0

320350

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