Aplicações e processamento de ligas metálicas · PDF file2...

Aplicações e processamento

de ligas metálicas

1º semestre / 2016

Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1

2

Aplicações e processamento

de ligas metálicas

Questões para tratar

• Como as ligas metálicas são classificadas e quais são

suas aplicações comuns?

• Quais são algumas das técnicas de fabricação comuns para

metais?

• Quais os procedimentos de tratamentos térmicos que são

usados para aprimorar as propriedades mecânicas de ligas

ferrosas e não-ferrosas?

3

Adapted from Fig. 9.24, Callister &

Rethwisch 8e. (Fig. 9.24 adapted from

Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed.,

Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in-Chief),

ASM International, Materials Park, OH,

1990.)

Adapted from Fig.

11.1, Callister &

Rethwisch 8e.

Classificação de metais e ligas Ligas metálicas

Steels

Ferrosas Não-ferrosas

Cast Irons

<1.4wt%C 3-4.5 wt%C

Aços <1,4%p. C

Ferros Fundidos 3-4,5% p. C

Fe 3 C

cementita

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

austenita

g +L

g +Fe3C a

ferrita a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) Co , wt% C

Eutético:

Eutetoide: 0.76

4.30

727ºC

1148ºC

T(ºC) microestrutura: ferrita, grafita/cementita

4 Based on data provided in Tables 11.1(b), 11.2(b), 11.3, and 11.4, Callister & Rethwisch 8e.

Aços

Baixa liga Alta liga

baixo C <0,25 %p. C

médio C 0,25-0,6 %p. C

alto C 0,6-1,4 %p. C

Aplicações carros estr.

pontes torres vasos de pressão

virabrequins eixos

parafusos

pistões engren. aplic. desgaste

aplic. desgaste

ferramentas de corte matrizes

aplicações alta T. turbinas fornos

Alta resist. à corrosão

Exemplo 1010 4310 1040 43 40 1095 4190 304, 409

Adições --- Cr,V

Ni, Mo ---

Cr, Ni

Mo ---

Cr, V,

Mo, W Cr, Ni, Mo

comum HSLA comum tratável

termicam. comum ferramenta inoxidável Nome

Endurecibilidade 0 + + ++ ++ +++ várias

LRT - 0 + ++ + ++ várias AL + + 0 - - -- ++

aumento de resist., custo, diminuição de ductilidade

5

Produção de ferro

Minério de ferro Coque

Calcário

3CO + Fe2O3 2Fe +3CO2

C + O2 CO2

CO2 + C 2CO

CaCO3 CaO+CO2 CaO + SiO2 + Al2O3 slag

Purificação

Redução do minério de Fe para metal

geração de calor

Ferro fundido

Ferro gusa

Alto forno

escória ar

camada de coque e minério de ferro

gás forno

refratário

6

Ligas ferrosas

Ligas à base de ferro

Nomenclatura para aços (AISI/SAE)

10xx Aços carbonos comuns

15xx Mn (1,00 – 1,65%)

40xx Mo (0.20 ~ 0.30%)

43xx Ni (1,65 – 2,00%), Cr (0,40 – 0,90%), Mo (0,20 – 0,30%)

44xx Mo (0,5%)

onde xx é %p. de C x 100

exemplo: aço 1060 – aço carbono comum com 0,60 %p. de C

Aço inoxidável >11% Cr

• Aços

• Ferros fundidos

7

Ferros fundidos

• Ligas ferrosas com > 2,1%p. de C

– mais comum: 3 – 4,5%p. de C

• Baixa temperatura de fusão – relativamente

fáceis de fundir

• Geralmente frágeis

• Cementita se decompõe em ferrita + grafita

Fe3C 3 Fe (a) + C (grafita)

8

Diagrama de equilíbrio Fe-C verdadeiro

Formação de grafita

promovida por:

• Si > 1% p.

• resfriamento lento

Adapted from Fig. 11.2,

Callister & Rethwisch 8e.

[Fig. 11.2 adapted from

Binary Alloy Phase

Diagrams, 2nd ed.,

Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-

in-Chief), ASM International,

Materials Park, OH, 1990.]

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 90

L

g +L

a + Grafita

Líquido +

Grafita

(Fe) C, %p. de C

0,6

5 740ºC

T(ºC)

g + Grafita

100

1153ºC g

Austenita 4.2 wt% C

a + g

9

Tipos de ferro fundido Ferro fundido cinzento

• flocos de grafita

• fraco e frágil em tração

• mais fortes em compressão

• excelente amortecimento

vibracional

• resistência ao desgaste

Ferro fundido dúctil (ou nodular)

• adição de Mg e/ou Ce

• nódulos de grafita

• matriz normalmente é perlita

• mais resistentes e ducteis que

ferro cinzento

Adapted from Fig.

11.3(a) & (b),

Callister &

Rethwisch 8e.

10

Tipos de ferro fundido

Ferro fundido branco

• < 1%p. de Si

• perlita + cementita

• elevada dureza

• frágeis

Ferro fundido maleável

• tratamento térmico do ferro fundido

branco a 800-900ºC

• grafita e rosetas em matriz de ferrita

ou perlita

• razoavelmente resistentes e dúcteis

Adapted from Fig.

11.3(c) & (d),

Callister &

Rethwisch 8e.

11

Tipos de ferros fundidos

Ferro fundido vermicular

• condutividade térmica relativamente

alta

• boa resistência ao choque térmico

• baixa oxidação em elevadas

temperaturas

Adapted from Fig. 11.3(e),

Callister & Rethwisch 8e.

12

Produção de ferros fundidos

Adapted from Fig.11.5,

Callister & Rethwisch 8e.

Faixa comercial dos

Te

mpera

tura

ferros fundidos

Resf. rápido Moderado Resf. lento Moderado Resf. lento

Reaq.: manter a

Resf. rápido Resf. lento

Maleável

perlítico

Maleável

ferrítico

ferro

fundido

branco

ferro fundido

cinzento

perlítico

ferro fundido

cinzento

ferrítico

ferro fundido

dúctil

perlítico

ferro fundido

dúctil

ferrítico

13

Limitações de ligas ferrosas

1) Densidades relativamente elevadas

2) Condutividades elétricas relativamente

baixas

3) Geralmente possuem baixa resistência à

corrosão

14 Based on discussion and data provided in Section 11.3, Callister & Rethwisch 3e.

Ligas não-ferrosas

Ligas não-ferrosas

• Alumínio e suas ligas -baixa r: 2,7 g/cm3

-adições de Cu, Mg, Si, Mn, Zn -endurecíveis por solid sol. ou precipitação (partes

estruturais de aeronaves e embalagens)

• Mg e suas ligas -r muito baixa: : 1,7g/cm3

-ignição fácil - aeronaves, mísseis

• Metais refratários -alta Tfusão -Nb, Mo, W, Ta • Metais nobres

-Ag, Au, Pt - resistência oxid./corr.

• Titânio e suas ligas -baixa r : 4,5 g/cm3

vs 7,9 para aço -reativo em alta T

• Cobre e suas ligas Latão: Zn é impureza subst. (bijuterias, moedas, resistência à corrosão) Bronze : Sn, Al, Si, Ni são impurezas subst. (buchas, mancais, engrenagens) Cu-Be : endurecível por precipitação

15

Fabricação de Metais

• Como fabricamos metais?

– Forja

– Fundição

• Operações de conformação

– Alteração de forma mediante deformação plástica

Trabalho a quente vs. Trabalho a frio

• Temperatura de deformação

suficientemente alta para

recristalização

• Baixas deformações

• Deformação abaixo da

temperatura de

recristalização

• Ocorre encruamento

• Menores deformações

16

CONFORMAÇÃO

A o

A d

• Laminação (a quente ou a frio)

(perfis, trilhos, chapas e placas)

A o A d

força

matriz

força

• Forjamento

(ferramentas, virabrequins)

freq. em

T elevada

Adapted from

Fig. 11.8,

Callister &

Rethwisch 8e.

Métodos de fabricação de metais (i)

Êmbolo tarugo

Invólucro

Invólucro

força suporte da matriz

matriz

A o

A d extrusão

• Extrusão

(tubos)

força de tração

A o

A d matriz

matriz

• Estiramento

(fios, tubos)

FUNDIÇÃO DIVERSOS

17

CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO

Métodos de fabricação de metais (ii)

• Fundição – molde é preenchido com metal fundido

– metal é fundido em um forno, com adição de elementos de liga (se necessário) e então vazado em um molde

– comum e poder ser de baixo custo

– produtos menos resistentes, defeitos internos

– boa opção para materiais frágeis

DIVERSOS

18

• Fundição em areia

(peças grandes, ex.:

blocos de motores)

Métodos de fabricação de metais (iii)

• Que material suporta T >1600ºC, é de baixo custo e fácil de moldar??

• Resposta: areia!!!

• Para criar o molde, areia é moldada ao redor de uma modelo com a geometria desejada

Areia Areia

molten metal

CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS

19

• Estágio I — Despeja uma

“barbotina” ao redor de um modelo

de cera. “Barbotina” endurece.

• Estágio II — Cera é fundida e

retirada do molde, deixando a

cavidade do molde.

• Estágio III — Metal fundido é

vazado no interior do molde e

solidificado.

Métodos de fabricação de metais (iv)

• Fundição por cera perdida

(pequeno volume, formas complexas

ex: joias, palhetas de turbinas

cera I

II

III

CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS

20

Métodos de fabricação de metais (v)

• Lingotamento contínuo

-- geometrias simples

(placas retangulares)

fundido

solidificado

• Fundição em matriz

-- grande volume de produção

-- ligas com baixa T de fusão

CONFORMAÇÃO FUNDIÇÃO DIVERSOS

21

DIVERSOS FUNDIÇÃO

Métodos de fabricação de metais (vi)

• Metalurgia do pó

pressão

aquecimento

ponto de contato em baixa T

densificação por difusão em T mais elevadas

área de

contato

densificação

• Soldagem

(quando a produção de uma peça

grande é inviável)

• Zona termicamente

afetada:

região onde a

microestrutura foi

alterada

Adapted from Fig.

11.9, Callister &

Rethwisch 8e.

(Fig. 11.9 from Iron

Castings

Handbook, C.F.

Walton and T.J.

Opar (Ed.), 1981.)

peça 1 peça 2

metal base fundido

metal de adição (fundido) metal base (fundido)

não afetada não afetada

zona termicamente

afetada

CONFORMAÇÃO

22

Recozimento: Aquecer até Trecoz, então resfriar lentamente.

Based on discussion in Section 11.7, Callister & Rethwisch 8e.

Processamento térmico de metais

Tipo de

Recozimento

• Processo de recoz.: Eliminar efeitos do trabalho a frio por (recuperação/ recristalização)

• Alívio de tensões: Reduz tensões resultantes de:

- deformação plástica - resfriamento não

uniforme - transformações

de fases.

• Normalização (aços): Aquecer aço para permitir recristalização e a formação de grãos menores

• Recoz. pleno (aços): Produzir aços para conformação mecânica.

Aq. até g e resfriar no forno

para obter perlita grossa

• Recoz. subcrítico (aços): Prodruzir aços de baixa dureza com boa usinabilidade. Aquecer logo abaixo da Teutetoide e

manter por 15-25 h.

23

a) Recoz. pleno

b) Têmpera

Tratamento térmico – Trajetórias

temperatura-tempo

c)

c) Revenido

(Martensita

revenida)

P

B

A

A

a) b)

Fig. 10.25,

Callister &

Rethwisch 8e.

24

Endurecibilidade -- Aços • Endurecibilidade – medida da habilidade para formar martensita

• Ensaio Jominy da extremidade temperada é usado para medir

endurecibilidade

• Gráfico dureza versus distância a partir da extremidade

temperada

Adapted from Fig. 11.11,

Callister & Rethwisch 8e.

(Fig. 11.11 adapted from

A.G. Guy, Essentials of

Materials Science,

McGraw-Hill Book

Company, New York,

1978.)

Adapted from Fig. 11.12,

Callister & Rethwisch 8e.

jato de água

a 24ºC

amostra (aquecido até

100% g)

trecho plano

Ensaios de

dureza

Rockwell C

Du

reza

, H

RC

Distância a partir da extremidade temperada

ASTM A255 – Standard Test Method for End-Quenched

Test for Hardenability of Steel

25

• A taxa de resfriamento diminui com a distância a partir da

extremidade temperada.

Adapted from Fig. 11.13, Callister &

Rethwisch 8e. (Fig. 11.13 adapted from H.

Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal

Transformation and Cooling

Transformation Diagrams, American

Society for Metals, 1977, p. 376.)

Motivos das mudanças da dureza com

a distância

distância a partir da extremidade temperada (pol.) Du

reza

, H

RC

20

40

60

0 1 2 3

600

400

200 A M

0.1 1 10 100 1000

T(ºC)

M(início)

Tempo (s)

0

0%

100%

M(fim)

26

Endurecibilidade vs Composição da liga

• Curvas de endurecibilidade

para for cinco ligas com

C = 0,4%p. C

• “Aços liga" (4140, 4340, 5140, 8640)

-- contêm Ni, Cr, Mo

(0,2 a 2%p.)

-- estes elementos deslocam

as curvas de transformação

para tempos maiores

(de A para B)

-- mais fácil de formar martensita

Adapted from Fig. 11.14, Callister &

Rethwisch 8e. (Fig. 11.14 adapted from

figure furnished courtesy Republic Steel

Corporation.)

Taxa de resf. (ºC/s)

Dure

za,

HR

C

20

40

60

10 0 20 30 40 50 Distância a partir da extremidade temperada (mm)

2 10 100 3

4140

8640

5140

50

80

100

%M 4340

T(ºC)

10 -1

10 10 3

10 5 0

200

400

600

800

Tempo (s)

M(início)

M(90%)

B A

TE

27

• Influência do meio de têmpera:

Meio

ar

óleo

água

Severidade da têmpera

baixa

moderada

alta

Dureza

baixa

moderada

alta

• Efeito da geometria da amostra:

Quando a razão área de superfície:volume aumenta:

-- taxa de resfriamento no interior aumenta

-- dureza no interior aumenta

Posição

centro

superfície

Taxa de resf.

baixa

alta

Dureza

baixa

alta

Influência do meio de resfriamento e

da geometria da amostra

28

0 10 20 30 40 50 %p. de Cu

L a+L a

a+q q

q+L

300

400

500

600

700

(Al)

T(ºC)

faixa de composição disponível para endurecimento por

precipitação

CuAl2

A

Adapted from Fig. 11.24, Callister & Rethwisch 8e.

(Fig. 11.24 adapted from J.L. Murray, International

Metals Review 30, p.5, 1985.)

Endurecimento por precipitação • Partículas impedem movimentação de discordâncias.

• Ex: sistema Al-Cu

• Procedimento:

Adapted from Fig.

11.22, Callister &

Rethwisch 8e.

-- Pt B: têmpera até temp. amb.

(reter solução sólida a)

-- Pt C: reaqecer para nuclear

pequenas partículas de q no

interior da fase a. • Outros exemplos: • Cu-Be

• Cu-Sn

• Mg-Al

Temp.

Tempo

-- Pt A: trat. térm. de solubilização

(obter solução sólida a

Pt A (solubilização)

B

Pt B

C

Pt C (q precipitado)

29

• Liga de Al 2014 :

• Máximos nas curvas de LRT.

• Aumento em T acelera o

processo.

Adapted from Fig. 11.27, Callister & Rethwisch 8e. (Fig. 11.27 adapted from Metals Handbook:

Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing

Ed.), American Society for Metals, 1979. p. 41.)

Influência do tratamento térmico de

precipitação na LRT e na %AL

Duração do tratamento térmico

de precipitação

LR

T (

MP

a)

200

300

400

100 1min 1h 1dia 1mês 1ano

204ºC 149ºC

• Mínimos nas curvas de %AL.

%A

L (

am

ostr

a d

e 2

pol.)

10

20

30

0 1min 1h 1dia 1mês 1ano

204ºC 149ºC

Duração do tratamento térmico

de precipitação

30

• Ligas ferrosas: aços e ferros fundidos

• Ligas não-ferrosas:

-- Ligas de Cu, Al, Ti, e Mg; ligas refratárias; e metais nobres.

• Técnicas de fabricação de metais:

-- conformação, fundição, diversas.

• Endurecibilidade

-- medida de um aço ser endurecido pela formação de martensita

-- aumenta com o aumento do teor de elementos de liga.

• Endurecimento por precipitação

-- endurecimento, aumento de resistência devido à formação

partículas precipitadas.

-- ligas de Al e Mg são endurecíveis por precipitação.

Resumo

Bibliografia

• Callister 8ª edição – Capítulo 11 completo

• Callister 5ª edição – Capítulo 11 e 12 completos

• Outras referência importante – Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and

Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição. 2010. Cap. 13 e 14