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Universidade do Vale do Itajaí
Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar
Tecnologia em Construção Naval
Disciplina: Ciência dos Materiais
Aula
Materiais Metálicos
Profa. Dra. Karoline B Mundstock
Os metais são substâncias:
- opacas,
- lustrosas,
- bons condutores de calor,
- bons condutores de eletricidade,
- boas refletoras de luz quando devidamente polidas,
- são dúcteis,
- tem elevada densidade
Metais
São formados pelos elementos metálicos da
tabela periódica:
Propriedades Mecânicas
1 – Elasticidade
2 – Fragilidade
3 – Ductilibidade
4 – Tenacidade
5 – Dureza
6 - Resistência
Propriedades Térmicas
1 – Temperatura de fusão
2 – Dilatação Térmica
3 – Condutividade térmica
Propriedades Elétricas
1 – Condutividade elétrica
2 - Resistividade
É a capacidade que o material tem de se deformar, quando
submetido a um esforço, e de voltar a forma original
quando o esforço é retirado.
Exemplo: Uma mola deve ser elástica.
Por ação de uma força, deve se deformar e, quando
cessada a força, deve voltar à sua posição inicial.
1 - Elasticidade:
Teste de tração e compressão:
Diagrama de tensão-deformação para material dúctil (aço).
Tensão
Deformação
Limite de elasticidade: Máxima tensão que o material pode suportar sem apresentar deformação permanente após a retirada da carga.
São materiais que possuem pouco, ou nenhum escoamento. É um material duro, que não suporta choques e tende a se quebrar com facilidade.
Exemplos: Concreto, Ferro Fundido, vidro, etc...
2 – Fragilidade:
Materiais Dúcteis – Qualquer Material que possa ser submetido a grandes deformações antes da ruptura é chamado de material dúctil. O aço doce é um exemplo. Os engenheiros escolhem materiais dúcteis para o projeto por que são capazes de absorver choque ou energia e, quando sobrecarregados, exibem, em geral, grande deformação antes de falhar. Exemplo: cobre, alumínio e aço com baixo teor de carbono.
3 - Ductilidade:
Como diferenciar um material dúctil de um material frágil?
Uma boa maneira de diferenciar um material dúctil de um material frágil é submetendo-os a um ensaio de tração. Materiais frágeis rompem-se com alongamento menor do que 5% e mostram maior resistência mecânica.
Curva tensão x deformação.
Exemplo: A chave da figura ao lado pode ser tracionada e flexionada sem romper-se facilmente porque é de um material tenaz.
É a energia necessária para romper um material.
4 - Tenacidade:
A tenacidade é muito usada pelos garimpeiros para diferenciar uma pepita de ouro de um fragmento de pirita, pois enquanto o ouro é extremamente maleável, a pirita é muito friável.
ouro pirita
Friável (frágil, quebradiço): Que pode ser quebrado ou reduzido a pó com facilidade.
Dureza é a resistência que um material oferece à penetração de outro corpo.
As ferramentas devem ser duras para que não se desgastem e para que possam penetrar em um material menos duro
5 – Dureza:
Dureza Vickers:
Neste método, é usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária "F", contra a superfície do material. Calcula-se a área "A" da superfície impressa pela medição das suas diagonais.
Ensaio de dureza Rockwell:
A escala do mostrador é construída de tal modo que uma impressão profunda corresponde a um valor baixo na escala e uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala. Desse modo, um valor alto na escala indica que se trata de um material de alta dureza.
Um material resistente é
aquele que não muda a
sua forma tão facilmente,
quando submetido a
ação de uma força de
tração, compressão,
flexão, cisalhamento,
torção ou flambagem.
6 - Resistência:
Determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a
variações de temperatura durante o seu processamento ou durante a sua
utilização.
Exemplo:
Propriedades térmicas
Ferramentas de corte: As elevadas velocidades de corte
geram aumento de temperatura e, por isso, a ferramenta
precisa ser resistente a altas temperaturas.
Temperatura na qual o material passa do estado sólido
para o estado líquido.
O alumínio funde a 660ºC, o cobre se funde a 1.084ºC
Qual a temperatura de fusão?
Do aço?
Do ferro fundido cinzento?
Do latão?
Do zinco?
1 – Temperatura de fusão
Quando a temperatura aumenta a agitação das moléculas que
constituem o material também aumenta, consequentemente o material
dilata. Além disso pode ocorrer mudança de fase em função da
temperatura.
Por causa dessa propriedade, as grandes estruturas de concreto,
como prédios, pontes e viadutos, são construídos com pequenos vãos
ou folgas entre as lajes, para que elas possam se acomodar nos dias
de muito calor.
Os espaços que existem entre os trilhos dos trens também tem essa
finalidade.
2 – Dilatação Térmica:
Exemplo: A temperatura ambiente, o estrôncio exibe estrutura CFC. Ao ser aquecido acima de 557ºC esse arranjo atômico transforma-se em CCC. Determine a variação de volume que envolve essa transformação alotrópica. Considere que o raio atômico permanece constante. Neste caso apenas a estrutura foi modificada, mantendo-se constante a quantidade de matéria. O número de átomos envolvidos permanece o mesmo. A estrutura CFC (temp. ambiente) tem 4 átomos e acima de 557ºC a estrutura CCC tem 2 átomos por celula unitária.
Vinicial = VCFC = 16√2R3= 22,62R3
Vfinal = 2.VCCC = 24𝑅
√33=
128
3√3𝑅3= 24,63𝑅3
ΔV = 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙=
24,63𝑅3 −22,62𝑅3
22,62𝑅3 = 0,089 ou 8,9%
O estrôncio aumentou seu volume em 8,9%.
2 – Dilatação Térmica:
Nos materiais isotrópicos pode-se calcular a variação de
comprimento, e conseqüentemente de área e volume, em
função da variação de temperatura:
• variação do comprimento em metros (m) ;
• coeficiente de dilatação linear em 1/Kelvin ( ) ;
• comprimento inicial em metros (m) ;
• variação de temperatura em Kelvin (K)
ou em graus Celsius (°C).
Exemplo:
É a capacidade que determinados materiais têm de conduzir calor.
Se você segurar uma barra de metal por uma das pontas e colocar a outra ponta no fogo, dentro de um certo tempo ela vai ficar tão quente que você não poderá mais segurá-la.
3 – Condutividade Térmica
1. Condutividade elétrica
É a capacidade que o material tem de conduzir corrente elétrica.
Exemplo: cobre e alumínio.
2. Resistividade
É a resistência que o material oferece à passagem da corrente
elétrica.
Essa propriedade está presente nos materiais que são maus
condutores de eletricidade como por exemplo o plástico que recobre
os fios.
Propriedades Elétricas
As propriedades químicas são as que se manifestam quando o material
entra em contato com outros materiais ou com o ambiente.
Exemplo:
O alumínio é resiste à corrosão.
O ferro enferruja e não resiste à corrosão.
Propriedades Químicas
resistência à corrosão,
aos ácidos,
às soluções salinas
- Os metais utilizados pela indústria raramente
apresentam todas as características desejadas
(quebradiço, mole, pouco resistente à oxidação), por
isso é interessante o uso de uma liga.
- Liga é uma mistura de dois ou mais elementos.
- Algumas vezes a preparação da liga consiste no
próprio processo de obtenção do metal, pois alguns
minérios já contêm os elementos que a liga deve conter.
- As ligas são classificadas em: ferrosas e não ferrosas
Metais e Ligas metálicas:
Ligas
Baixo
carbono
Médio
carbono
Alto
carbono
Alta
Liga
Baixa
Liga
Ferros
Fundidos
Aços
Ferro
Cinzento
Ferro
Dúctil
Ferro
Branco
Ferro
Maleável
Ferrosas Não Ferrosas
Alumínio Cobre Zinco Latão...
Mina de cobre a céu aberto em Bingham, Utah (um dos estados dos Estados Unidos).
- 5000 a.C. os artefatos de pedra foram substituídos por metais
- O primeiro metal utilizado pelo homem foi o cobre.
Metais e Ligas Metálicas
- É um metal avermelhado, que apresenta alta condutibilidade elétrica e
térmica
- Onde é usado:
Cobre
condutores de eletricidade (fios e cabos)
ligas metálicas como latão e bronze
• Tem estrutura CFC
• Condutor de calor e eletricidade (só perde para prata)
• Excelente deformabilidade
• Boa resistência à corrosão
• Boa usinabilidade
• Resistência mecânica satisfatória
Cobre
• Tmáx. de emprego 200ºC
• Tmin. de emprego -200ºC
• Soldagem difícil (alta dilatação térmica)
• Condutores elétricos trocadores de calor
Cobre
via seca: o minério é submetido a fusões e operações de afinação a temperaturas elevadas
via húmida: o minério é solubilizado através de lixiviação com ácido sulfúrico, sendo o cobre obtido após tratamento das suas soluções por processos electrolíticos (desta forma obtem-se um cobre mais puro)
Pode ser obtido por duas maneiras de extração:
Aplicações do cobre:
Condutores e demais materiais elétricos,
Chapa laminada e tubos de diversos tipos
Ligas de cobre:
Cobre + estanho = bronze
Cobre com o Al, Si, Be, etc., designam-se por "bronze" seguido do nome do(s) elemento(s) da liga (Bronze AI, Bronze Si).
Cobre + zinco = latões
Monel Liga Cobre-Niquel
Monel é uma marca registrada da empresa Special Metals Corporation. São ligas de Cu-Ni de alta resistencia mecânica. São utilizadas em substituição aos aços inox em inúmeras aplicações na indústria química, indústria petrolífera, construção naval, etc.
Teor de níquel entre 2.5 e 45% Ni.
Resistência a corrosão muito elevada,
Têm dureza moderada, mas são tenazes e dúcteis.
O cuproníquel 70-30, é o material mais adequado para sistemas de encanamentos, tubagem de permutadores e condensadores, etc.;
Monel Liga Cobre-Niquel
Bronze = cobre + estanho (5 a 25%)
O Bronze só tem valor quando o teor de estanho varia entre
5 e 25%, quanto maior o teor de Sn maior a resistência
mecânica e maior dureza.
<13%Sn são maleáveis a quente e a frio
>13%Sn são duros e frágeis só pode ser conformado a
quente
<5%Sn avermelhado
>15%Sn amarelo claro
-Resistente a corrosão,
- Temperatura máx. de emprego? (370ºC) - Temperatura min. de emprego? (-180ºC) - Devido a fácil fusão é empregado na fabricação de sinos, buchas e peças hidráulicas,
- Com alumínio fica mais resistente a corrosão e ao desgaste, usado na fabricação de buchas, parafusos e rodas dentadas.
Bronze = cobre + estanho (5 a 25%)
Bronzes especiais
Bronze-alumínio: o teor de alumínio não ultrapassa 11%, elevada resistência a tração, até 7% de alongamento Bronze-silício: teor de silício de 0,02 a 30%. Usados na fundição de peças complicadas. Bronzes especiais... Existem outros bronzes com outros elementos de liga.
Bro
nze =
co
bre +
esta
nh
o
α = CFC elevada maleabilidade δ = dureza mais elevada
Latão = cobre + zinco
- Tem entre 3 e 50% de zinco
- Cor amarela,
- É fácil de cortar e repuxar,
- Tem uma resistência maior que o cobre puro,
- Resistente a corrosão,
- Aplicado na fabricação de válvulas, torneiras e registros.
- laminado é empregado na confecção de chapas, perfis de qualquer forma e tubos de radiadores.
Quanto maior o teor de zinco:
menor a resistência à corrosão,
maior a resistência mecânica,
menor o preço do latão.
A resistência do latão é menor que a do bronze isto é o bronze é mais duro que o latão.
Os latões (Cu-Zn) com um pouco de estanho ou alumínio são mais resistentes à corrosão por água do mar.
ânodo
cátodo
Classificação: -Latões α Zn<38%
-Latões α+β 38<Zn<45%
-Latões β 45<Zn<50%
Até 38% de Zn só tem uma fase
(fase α - CFC) de excelente
ductibilidade. Pode ser moldado a
frio e tem boa resistência a
corrosão.
De 38 a 50% de Zn tem duas fases
(α+β) a β-CCC é mais dura e
resistente. Só pode ser moldada a
quente. Moldada por fundição.
Acima de 50% forma a fase γ dura e frágil que impede sua
utilização.
Latão = cobre + zinco
Latão = cobre + zinco
Pelo gráfico poderemos verificar que a resistência à tração melhora até 45% de Zn e a ductilidade até 30%, verificando-se depois uma diminuição das duas características, primeiro lenta e depois acentuadamente.
Latão = cobre + zinco
Até 20%Zn
>20%Zn
Joalheria imita ouro
radiadores
Fabricação de tubos
Estampagem a frio
Fabricação de agulhas de cromar
É um metal branco acinzentado
leve
não tóxico (no estado não
particulado)
3° elemento mais abundante
encontrado na natureza apenas
na forma combinada
muito reativo
Alumínio
Aplicações do alumínio
Aplicações do alumínio
Ferry boat biocombustível: funciona com 30% de óleo diesel e 70% de gás natural (GNV), tem capacidade de transportar até 760 pessoas e 75 veículos, incluindo ônibus, caminhões e até carretas pesadas. Fabricado totalmente em alumínio, é 80% mais leve do que os barcos do mesmo porte construído em chapas de aço.
Ferry Boat Ivete Sangalo, faz a travessia entre Niterói e Maricá.
Características Físico-Químicas do Alumínio:
Símbolo Químico: Al
Número Atômico: 5
Peso Atômico: 26,98
Classificação: Metal
Estado Físico (25ºC): Sólido
Densidade: 2,702 g/cm3
Ponto de Fusão: 660ºC
Ponto de Ebulição: 2519ºC
Condutividade Térmica:
235,0 W/m.K
Resistividade Elétrica:
2,65 .10-8.Ohm.m
número de oxidação: +3
(excepcionalmente +1)
Anfótero (reage c/ ácidos e
bases)
Al + ácido Al+3 + H2
Al + base Al(OH)4 + H2
Principal mineral para obtenção do alumínio:
48% a 64% de alumina,
aparência física é muito variável (branca, cinza
ou creme para baixa porcentagem de ferro;
amarelo, marrom-claro, rosado ou vermelho-
escuro para altas percentagens de ferro).
Bauxita Al2O3.nH2O:
Processo de obtenção do alumínio:
Bauxita + soda
cáustica
Aquecimento sob pressão
Solução precipitação da
alumina na forma de sementes
eletrolise
Principais Ligas de Alumínio: a) Ligas tratáveis térmica ou mecanicamente:
ligas tratáveis termicamente:
Al-Cu
Al-Zn-Mg
Al-Si-Mg;
ligas endurecidas por trabalho a frio (encruáveis): Al-Mg
Al-Si
b) Ligas para fundição Al-Cu
Al-Si
Al-Si-Cu/Mg
Al-Mg
Al-Sn
Influência dos elementos de liga
Características das ligas de alumínio
Liga
Alu
mín
io e
Silí
cio
Liga
de
Alu
mín
io e
Mag
nés
io
Liga
de
Alu
mín
io e
Co
bre
Liga
de
Alu
mín
io e
Est
anh
o
Liga de Alumínio e Zinco
Resistência a Corrosão: Extremo anódico (corroído) Mg
Ligas de Mg
Zn
Ligas Al 7072, Alclad 7071, Alclad 7073, Alclad 3003
Ligas Al 6XXX
Ligas Al 1XXX, Al 3XXX, Al 5XXX, Alclad 2XXX
Cd
Liga Al 7075
Ligas Al 2XXX
Aço macio, ferro fundido
Soldas Pb-Sn
Pb
Sn
Latões
Cu
Bronzes
Monel, inconel
Ni
Extremo catódico (protegido) Aço inox (ativo)
Ti
Processamento Industrial
- Laminação a quente ou a frio (chapas e folhas)
Processamento Industrial
- Trefilação (fios)
Etapas do processo:
Processamento Industrial
- Extrusão a quente ou a
frio (perfis, barras, tubos
sem costura)
O tarugo de alumínio passa por um orifício que o modela na forma de perfis utilizados na construção civil e em produtos acabados.
Processamento Industrial - Forjamento a quente ou a frio
Processamento Industrial
- Metalurgia do pó (peças delicadas de
pequenas dimensões)
Processamento Industrial
- Estampagem (estruturas de carrocerias)
Processamento Industrial
- Embutimento (utensílios domésticos)
- Fundição
Acabamento e camada de proteção:
A resistência à corrosão do alumínio depende da camada de óxido de
alumínio.
Pode-se induzir a formação de uma camada mais espessa de Al2O3.
Para que ocorra a formação da camada de Al2O3 limpa-se a superfície
para retirar graxas, óleo, sujeira, induz-se a anodização, faz-se a
selagem (fechamento dos poros da camada de óxido) em água
fervente ou soluções de sais entre 90-100°C por 15 a 60 minutos
Zinco A aplicação do zinco na indústria é dividida em: Revestimentos (imersão e galvanização) 40% Fabricação de latões 18% Zinco laminado 12% Fundição de peças 26% Outras aplicações 4%
SIDERURGICA
O ferro não é encontrado puro na natureza.
É encontrado combinado com outros elementos (minério):
Metais Ferrosos
A hematita é a mais abundante na natureza.
(Fe2O3)
Magnetita (Fe3O4)
Pirita (FeS2)
Siderita (FeCO3)
Limonita FeO(OH).nH2O
Antes de ser processado o minério de ferro é lavado e
partido em pedaços menores para retirar as impurezas.
Metais Ferrosos
Depois disso é levado ao alto forno para obtenção do ferro
gusa, principal insumo para a produção de aço e do ferro
fundido.
Alto forno
Equipamentos auxiliares
Tem como objetivo limpar os
gases que saem do alto-forno e
pré-aquecer o ar que é introduzido
no forno através das ventaneiras.
Alto forno
O alto forno apresenta três
partes essenciais:
cadinho rampa cuba
Alto forno
Remoção
das
impurezas
de sílica
ferro Ganga
(impurezas contidas nos minérios)
Uma corrente sólida (minério de Fe, coque e CaCO3)
desce e uma corrente gasosa que se origina pela
reação do carbono do carvão com o oxigênio do ar
(1000ºC) soprado pelas ventaneiras, sobe em
contracorrente promovendo a redução do ferro.
O ferro ao derreter-se se deposita no fundo
do alto forno. A este ferro dá-se o nome de
ferro-gusa.
Alto forno
Como as impurezas ou escórias são mais leves,
flutuam sobre o ferro gusa derretido.
Através de duas aberturas especiais, em alturas
diferentes são retiradas, primeiro a escória e em
seguida o ferro-gusa que é despejado em panelas
chamadas CADINHOS e depois nas linguoteiras.
Depois são armazenados para receberem
novos tratamentos. Nesta forma, é usado
apenas na confecção de peças que não
passarão por processos de usinagem.
Alto forno
Ferro Gusa:
ferro
carbono (3 a 4,4%)
manganês (0,5 a 2,5%)
silício (0,5 a 4%),
fósforo (0,05 a 2%)
enxofre (0,2% máx.)
Escória:
SiO2 (29 a 38%)
Al2O3 (10 a 22%)
CaO + MgO (44 a 48%)
FeO + MnO (1 a 3%)
CaS (3 a 4%)
Escória
Pode ser resfriada ao ar ou bruscamente por meio de jatos
de água e depois britada e utilizada como material inerte em
diversas aplicações, fabricação do cimento e do concreto,
substituição de materiais pétreos. Recebe o nome Escória de
Alto Forno.
Bases de estrada;
Asfalto;
Aterro / Terraplanagem;
Agregado para concreto;
Cimento
Aplicações especiais (lã mineral, lastro ferroviário,
material para cobertura, isolamento, vidro, filtros,
condicionamento de solo e produtos de concreto).
Aplicações da Escória
A matéria prima requer de 6 a 8 horas para alcançar o fundo
do forno (cadinho) na forma de ferro gusa e escória líquida.
Tempo do processo
O alto forno é operado
continuamente de 4 a 10 anos com
paradas curtas para manutenções
planejadas.
Utilização de sínter ou pelotas,
Elevação da temperatura do ar soprado
e controle de sua umidade
Injeção de combustível, através das
ventaneiras
Adição de oxigênio no ar
Operação a alta pressão
Técnicas para melhorar o processo
Ferro fundido
- É uma liga de ferro - carbono ( com teor de carbono
de 2 a 4,5 - 6,67%).
- É obtido diminuindo-se a porcentagem de
carbono do ferro gusa. É, portanto um ferro
de segunda fusão. A fusão de ferro gusa,
para a obtenção do ferro fundido, pode ser
feita em fornos “CUBILÔ”.
Ferro puro
- Densidade: 7,87g/cm3
- Ponto de fusão: 1536ºC - é muito dúctil, - tem boa resistência à corrosão atmosférica, - elevada permeabilidade magnética - baixa resistividade - é alotrópico (apresenta duas redes cristalinas diferentes) de 0 até 911º C, tem uma estrutura CCC, de 911º C até 1392º C, a rede cristalina é CFC (ferro γ) - Quando se combina com o carbono ou outros elementos
suas propriedades são alteradas. - Resistente ao desgaste, abrasão e calor
Ferro fundido:
- Inconveniente:
dificuldade de controle das propriedades mecânicas - O carbono pode estar presente
na forma livre (grafita, C) combinada (cementita, Fe3C), Elementos de liga: -Grafitizantes: inibidores da formação da cementita Si, Al, Ti e Cu
-Anti-grafitizante: favorecem a formação de cementita Mo, Mn, Cr e V
Constituinte Dureza Resistência
Cementita + + Grafita - - Silício - -
Manganês - + Enxofre + - Fósforo + -
Elementos de liga no ferro fundido:
-Grafitizantes: inibidores da formação da cementita Si, Al, Ti e Cu
-Anti-grafitizante: favorecem a formação de cementita Mo, Mn, Cr e V
Tipos de ferro fundido: Ferro fundido cinzento:
Uso: Blocos de motor, corpos de bombas e de maquinária do convés, transmições e ingrenagens.
- Os principais elementos de liga são: carbono, silício, manganês, cromo e cobre.
- Tem esse nome por causa da sua superfície de fratura que tem coloração cinza. - É o mais usado devido a suas características. Contêm carbono na forma livre (grafita) na forma de lamelas e na forma combinada (ferrita+ Fe3C = perlita) Ferrita = ferro CCC, ferro
- Mais resistente a corrosão que os demais pois as lamelas de grafita formam uma camada de proteção. - Fácil de ser trabalhado por ferramentas de corte, pois a grafita serve como lubrificante. - Absorve muito bem as vibrações tornando-se ideal para ser usado em corpos de máquinas. - Fácil de ser fundido e moldado em peças.
Ferro fundido cinzento:
Ferros fundidos nodulares
Obtido da fundição do ferro fundido cinzento, adicionando magnésio e/ou cério, elementos que fazem precipitar módulos de grafita,
Boa resistência ao desgaste,
Elevada maquinabilidade,
Melhor resistência ao choque que o ferro fundido cinzento e maior capacidade de amortecimento de vibrações.
Uso: válvulas
Ferro fundido branco Sua superfície de fratura apresenta coloração clara e brilhante por isso recebe este nome. Contêm carbono na forma de cementita (Fe3C) Características: - Difícil de ser fundido, - Muito duro, difícil de ser usinado, - Alta resistência ao desgaste, Fatores que influenciam a microestrutura - Velocidade de resfriamento - Composição química
Ferro fundido maleável
Obtido a partir do ferro fundido branco, sujeito a tratamento térmico para eliminação da cementita.
Uso: conexões
Aplicações dos ferros fundidos na área naval:
Os mais utilizados são o ferro fundido cinzento e o nodular, algumas vezes é usado o ferro fundido maleável.
Uso:
corpos de bombas, de válvulas e de maquinaria diversa,
blocos de motores de combustão interna,
coletores de evacuação e permutadores de pequena dimensão,
buzinas,
manivelas de motores diesel e de compressores frigoríficos.
Classificação Ferro Fundido
A norma DIN 1691 especifica os ferros fundidos cinzentos, pela designação GG, seguida de um número que representa a tensão de rotura mínima em Kg/mm2 : ex. GG18 corresponde σr≥ 18Kg/mm2.
A norma DIN 1693, especifica os ferros fundidos nodulares através das letras GGG-42 (referindo o número, a tensão de rotura mínima em Kg/mm2).
A norma DIN também classifica os ferros fundidos branco pelas letras GTW_ _ e o ferro fundido maleável pelas letras GT_ _.
Aço Comum – Aço Carbono
É uma liga de ferro carbono (Fe-C) contendo um teor de C
entre 0,008 e 2% de carbono, além de outros elementos
resultantes do processo de fabricação.
Alto forno siderúrgico
Obtenção do Aço
A temperatura atinge 1700oC.
Os gases resultantes do processo
são queimados na saída do
equipamento e os demais resíduos
são eliminados pela escória, que
fica na superfície do metal.
Na aciaria, o ferro gusa é transformado em aço através da injeção de
oxigênio puro sob pressão no banho de gusa líquido, dentro de um
conversor.
Após outros ajustes finos na composição do aço, este é transferido para a
próxima etapa que constitui o lingotamento contínuo.
Obtenção do Aço
Composição química: além de Fe e C o aço apresenta outros
elementos resultantes do processo de fabricação como manganês (0,3 a
0,6%), silício (0,1 a 0,3%), fósforo (máximo de 0,04%) e enxofre (máximo
de 0,05%).
Aço Comum – Aço Carbono
Cada elemento contribui com uma característica
Carbono: É o responsável pela
dureza do material e pela sua
temperabilidade. Sem carbono, o
ferro não pode ser endurecido
pela têmpera, pois não haverá
formação da martensita.
MANGANÊS: Em teores entre 0,30 e 0,60%, é desoxidante e
dessulfurizante, forma com o enxofre o composto MnS que possui PF
elevado, facilita o forjamento e a laminação eliminando o problema da
fragilidade a quente que pode ocorrer na presença do FeS.
SILÍCIO: Nos teores normais (0,15 e 0,30%) é o elemento desoxidante.
Aço Comum – Aço Carbono
FeS + Mn Fe + MnS
Aço Comum – Aço Carbono
Fósforo: é responsável pela fragilidade a frio, baixa resistência ao choque à temperatura ambiente, se dissolve na ferrita, endurece-a e aumenta o tamanho do grão. Entretanto esta influência do fósforo não é séria, exceto nos aços de alto teor de carbono.
Enxofre: forma o sulfeto de ferro (FeS) que apresenta um baixo PF e pode fundir nas operações de forjamento e laminação, diminuindo a tenacidade do aço, chegando às vezes a causar sua desintegração pela formação de fissuras durante estes processos.
FÓSFORO e ENXOFRE: São elementos nocivos.
Martelo de forjamento
Placas Blocos Tarugos
Chapas
Folhas
Tubos
Perfis Trilhos
Barras
Barras
Trefilados
Tubos
Laminação
a quente
Laminação
a frio
Como o aço pode ser moldado?
Como o aço é comercializado?
1) Vergalhões - são barras laminadas em diversos perfis, sem tratamento posterior à laminação.
Quando se necessita de barras com formas e medidas precisas recorre-se aos aços trefilados.
2) Perfilados - São vergalhões laminados em perfis especiais tais como: L (cantoneira), U, T, I (duplo T), Z.
3) Chapas - São laminados planos, encontradas no comércio nos seguintes tipos: - Chapas pretas - sem acabamento - Chapas galvanizadas - recebem após a laminação uma fina camada de zinco (proteção a corrosão). - Chapas estanhadas - também conhecidas como Folhas de Flandres ou latas. São revestidas com uma fina camada de estanho (latas de conservas).
4) Tubos - Dois tipos de tubos são encontrados no comércio:
- com costura - Obtidos por meio de curvatura de uma chapa.
- sem costura - obtidos por perfuração a quente.
Aços especiais – Aços ligas
São aços que contém outros metais que lhe foram adicionados
intencionalmente com a finalidade de dar certas propriedades aos aços.
· Alterar as propriedades mecânicas
· Aumentar a usinabilidade
· Aumentar a temperabilidade
· Conferir dureza a quente
· Aumentar a capacidade de corte
· Conferir resistência à corrosão
· Conferir resistência ao desgaste
· Modificar as características elétricas e magnéticas.
Geralmente o objetivo é:
Aços Inox
Impureza predominante - Cr > 11wt%
Pode incluir Ni e Mo
Três classes em função da microestrutura
martensítico tratável termicamente, magnético
ferrítico não tratável termicamente, magnético
austenítico mais resistente à corrosão, não
magnético
Resistentes a corrosão a temperaturas de até
1000ºC.
• Apresentam resistência à corrosão superior à dos outros aços,
Aços Inoxidáveis
•É resistente a corrosão devido a presença de cromo (12%) como elemento de liga. O cromo reage com o oxigênio e forma uma camada de óxido que protege a superfície do aço. • Podem oxidar em determinadas circunstâncias. Cuidados:
Para que ele não seja “atacado” deve-se preservar a camada de óxido, então a superfície deve ser limpa, livre de contaminação por substâncias estranhas, gordura e partículas metálicas provenientes de operações de fabricação. Tem elevado coeficiente de dilatação térmica então deve ser aquecido antes de soldá-lo. A solda provoca a precipitação do carboneto de cromo o que causa uma redução na resistência a corrosão.
Aplicações:
caldeiras, flanges (aços que podem ser trabalhados a frio sem
fissurar)
para estampagem e prensagem (automóveis, frigoríficos,
fogões)
Aço forjado (para trabalho a quente)
Aço de fácil maquinagem (parafusos, porcas e outras peças de
série)
Aços de construção (para máquinas)
Aço soldável para tubos (muito macio - baixo teor de C)
Aço para chapa fina (para manufaturar folha de Flandres)
Aço de molas
Aço estrutural (navios, edifícios, pontes, aparelhos de carga)
Aço de ferramentas
Aços especiais (para ímãs, refratários, etc.)
Efeitos dos metais adicionados
Principais classificações dos aços:
De acordo com a microestrutura: Ferríticos(CCC), Perlíticos (CCC + Fe3C), Austeníticos (CFC), Martensíticos (Fe3C esférica em TCC), Ledeburíticos (CCC + CFC).
De acordo com o teor de carbono:
- Baixo teor de carbono (C < 0.3%) (+ macios) (C<0,15 – aço doce ou macio)
- Médio teor de carbono (0.3 < C < 0.7%)
- Elevado teor de carbono (C > 0.7%) (+ duros)
De acordo com a composição:
- Não ligados ou sem elemento de liga (aço carbono)
- Com elemento de liga: aço de baixa liga (elemento de liga < 5% ) e aço de alta liga (elemento de liga > 5%).
• Aços estruturais de baixa liga (<5%):
• melhores propriedades mecânicas e níveis mais elevados de resistência à fratura.
• Aços de alta resistência:
• são aços de baixa liga, aços temperados, revenidos (revenido tratamento térmico que acompanha a tempera) e martensítico (tetragonal). • Destinam-se a aplicações especiais - estruturas oceânicas, submarinos e outras que requerem um elevado controle de qualidade na construção.
• Aços vazados:
Usados na manufatura de componentes estruturais pesados, com formas complexas, como acontece na estrutura da proa, do leme e hélices.
Aços Baixo Carbono
Aços Carbono
Microestrutura de ferrita (CCC) e perlita (CCC + Fe3C)
Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes
Insensíveis a tratamentos térmicos
Baixo custo
Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arame...
Alta resistência, baixa liga (HSLA)
Contém outros elementos tais como Cu, Va, Ni e Mo
Mais resistentes mecanicamente e à corrosão
Aceitam tratamentos térmicos
Usado em estruturas para baixas temperaturas, chassis de caminhões, vagões...
Aços Médio Carbono
Aços Carbono
Utilizados na forma de martensita (fase extremamente dura e frágil) temperada (tratamento térmico para aumentar tenacidade).
Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal...
Tratáveis termicamente
A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos térmicos.
Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes.
Usos em molas, pistões, engrenagens...
Aços Alto Carbono
Aços Carbono (Ferramenta)
Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis.
Resistentes ao desgaste.
Se combina com Cr, V e W para formar carbetos (Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e resistentes.
Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas...
Influência dos elementos de liga nos aços
Com a adição de certos elementos são obtidos aços-liga
com resistência à tração e à corrosão, elasticidade,
dureza, melhores
Aço rápido
Tratamentos dos aços:
Tratamentos mecânicos:
podem ser feitos com alteração da forma
- a frio (por exemplo a estiragem)
- a quente (por exemplo o forjamento, estampagem e laminagem)
Sem alterar a forma: exemplos;
- martelagem
- “galetage” (compressão superficial com rolos)
Recozimento - Processo no qual a chapa sofre um aquecimento à alta temperatura e resfriamento lento; tem como finalidade melhorar a uniformidade da microestrutura interna, de forma que a chapa atenda a aplicações onde se exige reduzida tendência a empenamento
. Têmpera – Aquecimento a alta temperatura seguido de resfriamento é rápido em meio com água, salmoura ou mesmo ar. O objetivo final desta operação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração e também dureza.
Revenimento - É o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera; além de aliviar ou remover tensões internas, corrige a excessiva dureza e fragilidade do material, aumentando sua ductibilidade e resistência ao choque.
Tratamento térmico
Provocam alteração da microestrutura, sem alterar a composição
química do material.
Tratamentos superficiais:
Têm como finalidade melhorar a qualidade da superfície
das peças através de um depósito de outro material.
• Metalização
• Electrodeposição (zincagem, estanhagem, niquelagem,
cadmiagem, cobragem, cromagem a cromoduro)
• Combinação química (fosfotização)
Classificação dos aços