53661012 Apostila Tecnologia Dos Materiais

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina Gerncia Educacional de Metal Mecnica

Professores Fernando Jos Fernandes Gonalves e Marcelo Martins

Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina

Unidade de Ararangu

Curso Tcnico em Eletroeletrnica

Mdulo II:

Tecnologia dos Materiais I Prof. Suzy Pascoali

Agradeo ao professor Fernando Jos Fernandes e Marcelo Martins por elaborar a apostila. Aos sites da internet que disponibilizam contedo didtico.

Julho

2008


Professores Fernando Jos Fernandes Gonalves e Marcelo Martins 2

Item BASES TECNOLGICAS 1 Introduo a tecnologia dos materiais 1.1 Materiais de construo mecnica 1.2 Atraes interatmicas 1.3 Arranjos atmicos 1.4 Propriedades dos materiais 2 Processos de obteno das ligas metlicas ferrosas 2.1 Aos e Ferros Fundidos 3 Ligas metlicas ferrosas 3.1 Definies 3.2 Classificaes 4 Diagramas de Equilbrio 4.1 Introduo 4.2 Diagrama de Equilbrio Ferro Carbono 5 Curvas TTT 5.1 Curvas TTT ligas metlicas ferrosas 6 Ensaios mecnicos 6.1 Introduo 6.2 Dureza 6.3 Trao 7 Tratamentos Trmicos 7.1 Introduo 7.2 Recozimentos 7.3 Normalizao 7.4 Tmpera 7.5 Revenido



1. Introduo a tecnologia dos materiais

O homem sempre utilizou-se de materiais para satisfazer suas necessidades. Nos tempos mais remotos os materiais serviam para obteno de utenslios de caa, de uso domstico e para o vesturio. Depois de extrados da natureza os materiais eram utilizados quase que diretamente em suas aplicaes, com pouco ou quase nenhum processamento. Com o passar dos tempos o homem foi dominando o conhecimento a respeito dos materiais e seu processamento. Pode-se visualizar na tabela 1, a cronologia da utilizao dos materiais no decorrer do tempo.

Tabela 1 - Evoluo do uso de materiais pelo homem.

Evoluo histrica Ano Material Pr-histria

Idade da Pedra

25.000 AC at

6.500 AC

Madeira Pedra lascada Pedra polida

Proto-histria

Idade dos Metais

6.500 AC at

1.500 AC

Cobre Estanho Bronze Ferro Cermica

Idade Antiga ou Antiguidade

4.000 AC at

500 AC

Vidro

Idade Mdia ou Medieval

500 at

1.500

Ligas metlicas

Idade Moderna

1.500 at

1.800

Concreto

Histria

Idade Contempornea 1.800 at os dias atuais

Polmeros

Atualmente existe uma grande variedade de materiais. Sendo que os profissionais da

rea tecnolgica, no nosso caso da rea de mecnica, devem conhecer as propriedades, caractersticas e comportamento dos materiais que lhe so disponveis para aplicao em componentes mecnicos.

Como exemplo da utilizao de materiais na construo mecnica, temos o automvel. Na fabricao de um carro, os materiais dos quais obtm-se os componentes, tem que apresentar desempenho suficiente para sua aplicao. Alguns dos materiais que compe o automvel so: aos, vidros, plsticos, alumnio, materiais compsitos, borracha e outros. Porm s os aos apresentam mais de 1200 tipos, ento como escolh-los?

Os parmetros utilizados, para escolha de um material adequado para um determinado componente, centram-se nas propriedades como: resistncia mecnica, a condutibilidade trmica/eltrica, a densidade e outras. Tambm se deve observar o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde a plasticidade, usinabilidade, durabilidade qumica so essenciais, assim como custo e disponibilidade. Por exemplo, o ao utilizado para as rodas dentadas (engrenagens) da caixa de cmbio, deve ser facilmente usinado durante o processamento, mas quando em uso devem ser suficientemente resistentes as solicitaes externas. Os pra-lamas devem ser feitos com



um ao que tenha boa plasticidade, mas que dever resistir a solicitaes devido ao uso. impossvel, conhecer detalhadamente os milhares de materiais disponveis, mas os

princpios gerais que norteiam as propriedades de todos os materiais, devem fazer parte das bases tecnolgicas de um auxiliar de fabricao mecnico.

Nesse eixo temtico sero abordados primeiramente os materiais comuns na construo mecnica, as ligaes qumicas e os arranjos atmicos desses materiais, e suas propriedades. Posteriormente, veremos os processos de obteno das principais ligas metlicas ferrosas, bem como suas definies e classificaes, sendo que os materiais utilizados no instrumento gerador (extrusora de massa) sero tratados nesse tpico. Prosseguindo no eixo temtico, ser abordado sobre duas ferramentas importantes para o entendimento da obteno das microestruturas e conseqentemente das propriedades das ligas metlicas ferrosas que so os diagramas de equilbrio, e as curvas de transformao-tempo-temperatura. A prxima etapa consistir no estudo de tcnicas (ensaios) para quantificar e qualificar as propriedades mecnicas das ligas metlicas ferrosas. O tpico seguinte compreender as formas de alterarmos as propriedades das ligas metlicas ferrosas, atravs de tratamentos trmicos. Finalizando com as tcnicas de preparao e anlise das microestruturas das ligas metlicas ferrosas.

1.1 Materiais de Construo Mecnica

Os materiais de construo mecnica, por classificao, so divididos em quatro grandes grupos de desenvolvimento tecnolgico. O primeiro em escala de uso e mais antigo o grupo de materiais metlicos. Em seguida temos os materiais polimricos e, de desenvolvimento mais recente os materiais de cermica avanada e tambm os materiais compsitos. A disponibilidade comercial dos mesmos crescente e competem entre si por propriedades de uso em situaes especficas de engenharia. Procurou-se abordar, nesse texto, aspectos gerais destes materiais, de maneira que sua seleo tenha critrios baseados nas propriedades requeridas na manufatura de componentes para as mais diversas aplicaes.

1.1.1 Materiais Metlicos

Os materiais metlicos so substncias inorgnicas formadas a partir da composio de um ou mais elementos da famlia dos metais, podendo apresentar tambm elementos no metlicos. Assim, metais como o ferro, cobre, alumnio, nquel e titnio constituem exemplos de materiais metlicos e tem posio definida na tabela peridica. Como exemplo de materiais no metlicos e que podem fazer parte da composio dos metais temos o carbono, o nitrognio e o oxignio. Na classificao do tipo de arranjo atmico presente nos mesmos, recebem designao de materiais de estrutura cristalina por apresentarem organizao espacial ordenada e suas ligaes qumicas so consideradas de longo alcance. Por apresentarem eltrons livres nas ltimas camadas de valncia, tem importncia fundamental quando as propriedades especficas de aplicao dos mesmos so conduo trmica e eltrica. Desta maneira pode-se associar seu emprego na manufatura de diversos componentes de uso domstico como, por exemplo, panelas, chapas de fogo a lenha, resistncias eltricas e condutores eltricos (fios e cabos de energia). De uma forma geral, tambm apresentam alto ponto de fuso, o que favorece o seu uso em altas temperaturas. Quando se trata de utilizao de metais com baixo ponto de fuso para aplicaes especficas (brasagem) pode-se contar tambm com ligas de estanho. Ligas metlicas consistem numa



combinao de dois ou mais metais ou de um metal (ou metais) com um no-metal (ou no metais). O resultado da elaborao de ligas com composio adequada, possibilita o surgimento de ponto de fuso mais baixo do que o dos metais que a compem. Um exemplo pode ser observado na figura 1, em que para quaisquer composies, o ponto de fuso da liga inferior ao dos metais puros componentes da liga, alcanando-se um mnimo para a composio de 39,97% de cdmio ponto euttico (145,5 C).

Fig. 1 Diagrama de fases Bismuto-Cdmio Pode-se estudar os materiais metlicos dividindo-os em duas classes: ferrosos e no ferrosos. Tal classificao pode ser entendida se for levado em conta que o elemento qumico que contribui em maior peso atmico para a composio da liga designa sua origem. Assim uma liga que possui peso atmico predominante de ferro classificada como ferrosa caso contrrio, como no ferrosa. Na figura 2 observa-se o diagrama binrio Fe-C, caracterizando uma liga ferrosa.

Fig. 2 Diagrama de Equilbrio Fe-C



1.1.2 Materiais Polimricos A origem da composio dos materiais polimricos orgnica, ou seja, constitudos de longas cadeias carbnicas, compondo molculas. Em alguns casos de polmeros pode-se observar a presena de pequenos cristais (cristalitos), mas a predominncia de arranjo atmico a estrutura molecular (figura 3). Sua aplicao como material de engenharia est bastante diversificada, em funo das vrias composies possveis desenvolvidas ao longo dos anos. Assim, os polmeros esto substituindo componentes importantes at ento manufaturados a partir de metais ou outros materiais. As aplicaes principais esto relacionadas principalmente em situaes onde se requer baixo custo, boa resistncia mecnica, razovel estabilidade estrutural, isolamento eltrico e baixa densidade. Desta maneira vemos nosso cotidiano sendo invadido por materiais desta natureza, porm encontrando limitaes na maioria dos casos na baixa resistncia mecnica para aplicaes de maior responsabilidade na engenharia.

Fig. 3 Arranjo molecular de um polmero 1.1.3 Materiais Cermicos Os cermicos so caracterizados como materiais inorgnicos constitudos por elementos metlicos e no metlicos ligados quimicamente entre si. Podem apresentar arranjo atmico cristalino, no cristalino, ou mistura dos dois. Como caractersticas os cermicos apresentam elevada dureza, grande resistncia mecnica em temperaturas elevadas, porm manifestam grande grau de fragilidade. Uma das aplicaes mais recentes dos materiais cermicos est na indstria automobilstica como componente do motor. Suas propriedades de resistncia ao desgaste, resistncia ao calor, baixo coeficiente de atrito e baixo peso so vantajosos do ponto de vista de eficincia mecnica. Tambm muito importante a propriedade relacionada com isolamento trmico que estes materiais apresentam, no s utilizando-os em motores como em fornos para a fuso e tratamentos trmicos dos metais e suas ligas.



Fig. 4 - a) Exemplos de aplicao de materiais cermicos. b) Possibilidades de utilizao das cermicas em componentes do motor de combusto. 1.1.4 Materiais Compsitos Os materiais compsitos so misturas de dois ou mais materiais. A maioria dos materiais compsitos produzida a partir de uma mistura de um material de reforo, com caractersticas apropriadas ao produto e um material compatvel que serve de matriz, de maneira que ao final obtm-se determinadas propriedades inerentes ao uso do objeto. De um modo geral, os componentes no se dissolvem uns nos outros e podem ser identificados pelas interfaces que os separam. Existem vrios tipos de materiais compsitos que servem as mais diversas aplicaes na engenharia. Assim, a anlise detalhada da fibra de vidro, por exemplo, revela uma composio de polister (matriz) e fibra de vidro (reforo). Na indstria de alimentos pode-se encontrar embalagens para leite, sucos e outros produtos, utilizando a mistura de papelo e alumnio. So as conhecidas embalagens TETRA PAK.

Fig. 5 Fotomicrografia de uma seco de material compsito de polister com fibras de vidro unidirecionais.



1.1.5 Competio entre materiais Com o objetivo de tornar produtos e servios competitivos no mercado, as indstrias projetam os bens de consumo com materiais mais adequados a satisfao do cliente e ao mesmo tempo, preocupam-se com anlise de custos de produo e disponibilidade do material no mercado. Desta maneira, h alguns anos, muitas montadoras de automveis utilizavam madeiras nobres como elemento esttico e de resistncia, pela facilidade com que era encontrada. Para os dias atuais em que a preservao do meio ambiente preocupante, este material caiu em desuso, dando oportunidade para o crescimento do segmento dos polmeros, utilizados principalmente em superfcies de acabamento dos veculos. Neste momento, em que a engenharia dos materiais trabalha para encontrar solues alternativas (econmicas e funcionais), as pesquisas de novos materiais se torna imprescindvel. At o momento, o segmento dos metais tem se mostrado importante como elemento estrutural para a construo mecnica, substituindo em muitas situaes tambm a madeira (fabricao de mveis). Logicamente, nenhum material possui propriedades completas de uso para aplicao em todos os projetos, devendo a seleo ser baseada em critrios tcnicos bem definidos. Assim incompatvel a idia de combinar todas as boas propriedades de uso em um nico material. A figura 6 ilustra graficamente a demanda de utilizao (em peso) de diversos materiais em uso nos Estados Unidos correspondentes aos ltimos 80 anos. A partir de 1930 o que se percebe o acentuado aumento no emprego de materiais com baixa densidade, como o caso do alumnio e dos polmeros. Estes, como citado anteriormente, vm de encontro a necessidade de produo de veculos automotores com peso final cada vez menor. Para se ter uma idia, em 1978 no Estados Unidos um veculo mdio pesava 1800 Kg, constitudo por 60 por cento de ligas ferrosas, 10 a 20 por cento de plsticos e borracha, e 3 a 5 por cento eram alumnio. No ano de 1993 seu peso havia diminudo para 1430 kg e consistia em 50 a 60 por cento de ao e ligas ferrosas, 10 a 20 por cento de plsticos de borrachas e 5 a 10 por cento de alumnio. Desta maneira, a significativa reduo de peso deve-se a utilizao de uma quantidade maior de materiais de mais baixa densidade que as ligas ferrosas, at ento de fundamental utilizao nos veculos.



Fig. 6 Grfico comparativo mostrando a produo anual de diversos materiais de construo. 1.2 Atraes Interatmicas

As interaes atmicas ocorrem porque, uma das leis que regem a matria, de que os materiais tendem a estabilidade, ou seja, a um mnimo nvel energtico. No caso de estarem ligados quimicamente, h um decrscimo em seu nvel energtico, favorecendo a uma condio energtica mais estvel.

Como os materiais que fazem parte das bases tecnolgicas, deste eixo temtico, encontram-se no estado slido, importante conhecer ou relembrar as interaes ou ligaes que unem os tomos nesse estado. As ligaes qumicas para os materiais no estado slido, podem ser divididas em ligaes fortes que se subdividem em ligaes inicas, ligaes covalentes e ligaes metlicas. Ligaes fracas que para este estado podem ser agrupadas com o nome genrico de Foras de Van der Walls. Embora seja tratado isoladamente cada um dos tipos de ligao, muitos materiais podem apresentar mais de uma ligao simultaneamente. Em seguida ser visto a caracterizao das ligaes citadas.



1.2.1 Ligaes Inicas Estas ligaes so caracterizadas por apresentarem foras interatmicas fortes,

oriundas da transferncia de eltrons entre tomos, gerando ons positivos e negativos que se atraem pelas foras de Coulomb (Lei de atrao eletrosttica cargas de sinais diferentes tendem a se atrair). Esta ligao obedece ainda uma premissa peculiar, o material que apresenta este tipo de ligao eletricamente neutro, ou seja, a quantidade de ons negativos igual aos ons positivos. Nota-se que este tipo de ligao acontece entre elementos qumicos metlicos e no-metlicos. O elemento metal que tem tendncia eletropositiva, doa eltrons para os no metais de tendncia eletronegativa, como exemplo temos o NaCl (cloreto de sdio), mostrada na figura 7.

Fig. 7 Ionizao. A transferncia de eltrons na formao do NaCl produz camadas externas estveis. Os ons negativos e positivos que se formam se atraem mutuamente atravs de foras coulombianas, formando a ligao inica. 1.2.2 Ligaes Covalentes

Apresentam tambm foras interatmicas fortes, nestas ligaes h o compartilhamento de eltrons entre dois tomos, ou seja uma superposio de orbitais. E alguns eltrons passam a pertencer aos dois tomos provocando uma atrao eletrosttica forte entre eles. Um material muito conhecido, no qual encontram-se somente ligao covalente o diamante, ele o mais duro material encontrado na natureza, sendo constitudo inteiramente por carbono. Cada tomo de carbono tem quatro eltrons na camada de valncia, que so compartilhados com quatro tomos adjacentes, para formar um reticulado tridimensional inteiramente ligado por pares covalentes. A intensidade da fora de ligao covalente no diamante notada no s pela sua elevada dureza como tambm pela temperatura extremamente elevada (> 3300C) a que pode ser aquecido antes da destruio da estrutura pela energia trmica. A ilustrao da ligao covalente, do carbono formando o diamante, pode ser visto na figura 8.



As ligaes covalentes normalmente ocorrem entre elementos qumicos no metlicos, porm, alguns semimetais e metais de transio podem apresentar um certo grau de carter covalente em suas ligaes. .

Fig. 8 Estrutura do diamante. A fora de ligao covalente explica a grande dureza do diamante. (a) Representao bidimensional. (b) Representao tridimensional. 1.2.3 Ligaes Metlicas As ligaes metlicas, como o prprio nome diz, so tpicas dos materiais metlicos. So ligaes fortes. Os tomos dos metais tm, em geral, de um a trs eltrons no seu ltimo subnvel. Estes eltrons no esto fortemente ligados ao ncleo e podem libertar-se facilmente. Quando se colocam tomos metlicos em contato, os eltrons que se libertam do ncleo formam uma nuvem em torno dos ons positivos formados, mantendo a estrutura coesa. No caso dos metais, os tomos se arranjam formando uma estrutura cristalina, como visto a seguir. A ligao metlica responsvel por uma srie de propriedades que caracterizam os metais. Os metais so bons condutores trmicos e eltricos, devido a mobilidade da nuvem de eltrons, ilustrado na figura 9. Um fato importante que deve ser levado em conta quando se estuda o metal que, medida que aumentam os eltrons de valncia (eltrons da ltima camada) e a atrao dos mesmos pelo ncleo, aumenta a tendncia dos tomos de formarem ligaes covalentes. Desta forma alguns metais de transio (que apresentam subnvel d incompleto) como o ferro, o nquel e o tungstnio, por exemplo, podem apresentar fraes significativas de ligaes covalentes, o que , em parte, responsvel pelos altos pontos de fuso destes materiais.



Fig. 9 Ilustrao da nuvem eletrnica, que caracteriza a ligao metlica 1.2.4 Foras de Van Der Waals Os trs tipos de ligao considerados anteriormente correspondem, todos, a ligaes fortes. Ligaes secundrias, mais fracas, que tambm contribuem para a coeso da matria, so agrupadas sob o nome genrico de foras de Van Der Waals. Como exemplo dessas ligaes temos a Polarizao molecular, a ponte de hidrognio e outras. Embora sendo ligaes fracas, so as nicas foras que atuam em alguns casos, como nos polmeros que apresentam dentro das macromolculas ligaes inicas e covalentes gerando as foras conhecidas como intramoleculares, porm entre as macromolculas as foras que normalmente esto presentes so as de Van Der Waals denominadas de intermoleculares. 1.3 Arranjos atmicos

A importncia dos arranjos atmicos, para o estudo da tecnologia dos materiais, deve-se ao fato que eles determinam as propriedades (qualidades) que os materiais apresentam.

Os arranjos atmicos so classificados em: Estruturas moleculares apresentam um agrupamento de tomos, este tipo de

arranjo est presente nos materiais polimricos. Estruturas cristalinas apresentam um arranjo repetitivo de tomos o arranjo

comum dos materiais metlicos, porm podem aparecer nos materiais polimricos e nos materiais cermicos.

Estruturas amorfas apresentam um arranjo sem nenhuma regularidade, encontrada nos materiais cermicos.



1.3.1 Estrutura Cristalina do Ferro

Para uma melhor compreenso das reaes que podem ocorrer com as ligas metlicas ferrosas, torna-se necessrio o estudo da sua rede cristalina. Como j de conhecimento, o elemento ferro o principal componente destas ligas e na composio qumica designado como solvente.

Abaixo esto estabelecidas algumas caractersticas do elemento qumico ferro: Nmero atmico: 26 Massa atmica: 55,847 Dimetro atmico: 2,5 (Um angstron corresponde a 1x 10 -7 mm) 1.3.1.1 Estrutura Cristalina Ideal do Ferro

No ferro em fuso no existe uma disposio regular dos tomos. Isto s vai ocorrer na solidificao, quando os tomos formam uma rede espacial regular, repetitiva, com ligaes de longo alcance, que a caracterstica de um cristal.

O ferro cristaliza-se sob a forma cbica e dependendo da disposio dos tomos no cubo e a temperatura em que aparecem, pode-se design-las pelas letras do alfabeto grego, alfa (a ), gama (g), delta (d ). Um estudo mais detalhado destas formas que interessa ao nosso estudo imediato. a) Ferro gama: Na figura 10, as esferas atmicas do ferro (todas do mesmo dimetro) esto dispostas sob a forma de uma rede espacial com disposio gama. Pode-se imaginar esta rede como sendo constituda de muitas clulas cbicas (elementares) das quais uma est representada na figura a seguir direita. Existem tomos ocupando os oito vrtices e os centros das superfcies do cubo. Esta disposio da rede espacial chamada cbica de face centrada. A dimenso caracterstica da rede espacial o comprimento da aresta da clula elementar, tambm chamada de parmetro da rede a. Ela pode ser derivada a partir da dimenso D dos tomos de ferro por simples raciocnio. As esferas atmicas tocam-se na direo da diagonal superficial df de uma clula elementar. A diagonal corresponde a duas metades de tomos e um inteiro, isto , df = 2D = a 2 = 3,6 . Na direo das arestas do cubo elementar os tomos no se tocam. Sobra um intervalo z = a - D = 1,1 .

Fig. 10 - a. rede cristalina b. clula elementar (D= dimetro atmico, z= interstcio, a= parmetro da rede). b) Ferro alfa: Na figura 11 est representada a disposio de tomos na rede espacial do ferro alfa. Ao seu lado est representada a clula elementar cbica de corpo centrado, uma vez que encontramos um tomo em cada vrtice e um no centro do cubo.



Os tomos tocam-se na direo da diagonal do cubo dc = 2D = a 3, portanto a = 2,9 . Em vista disso a clula elementar do ferro alfa menor que a do ferro gama, uma vez que ela contm menos tomos. Tambm a distncia entre os tomos menor, z = a - D = 0,4 .

Fig. 11 a) rede cristalina b) clula elementar (D= dimetro atmico, z= interstcio, a= parmetro da rede). c) A Transformao Polimrfica

Tal transformao ocorre em funo da temperatura. Em baixas temperaturas existe o ferro alfa que, a 912 C se recristaliza formando ferro gama, o qual se transforma novamente em ferro CCC a 1392 C, mas que agora, para diferenciar, chamado de ferro delta. Continuando o aquecimento, o ferro se funde a 1534 C. Se o metal em fuso for esfriado, as transformaes para ferro delta, gama e alfa ocorrem praticamente nas mesmas temperaturas, como no aquecimento. Ambas as redes espaciais do ferro tm faixas de temperaturas determinadas em que so estveis.

Fig. 12 Transformaes polimrficas do ferro



1.3.1.2 Estrutura Cristalina Real do Ferro

O ferro no se apresenta exatamente da forma como foi visto at aqui ou seja, com sua rede espacial ordenada e isenta de defeitos. Torna-se necessrio portanto, um estudo preliminar destes defeitos para podermos avaliar as conseqncias que eles traro posteriormente.

a) Defeitos da Rede Cristalina do Ferro Contorno do gro: durante a solidificao do ferro, comeam a surgir ncleos de cristalizao, que so tomos que iniciam a aglomerao com outros tomos. Esses ncleos surgem de todas as partes ao mesmo tempo. Acontece que as direes das redes dos ncleos so ocasionais e podem variar de ncleo para ncleo, no havendo ao final uma unio completa. Dessa forma surge ento o contorno do gro. (fig. 13). Vazios: Ocorrem quando um ponto da rede cristalina no est ocupado. Seu nmero aumenta com a temperatura, pois os tomos oscilam mais violentamente e provvel que saltem para um interstcio da rede ou em direo a superfcie. Por exemplo: a 700 C, de cada 100.000 pontos da rede, um est vazio. Vazias so imperfeies puntiformes da rede, em contraste com linhas de discordncias e superfcies de contorno de gro. (fig.13)

Fig. 13 - Representao esquemtica do contorno de gro e do gro Fonte: http://www.pmt.usp.br/paulob/montecarlo/modelar/default.htm Discordncias: Discordncias so defeitos lineares, relacionados com fenmenos de escorregamento de planos cristalinos. A deformao plstica de um cristal perfeito pode ocorrer pelo deslizamento de um plano de tomos com relao ao outro. So caracterizadas pela presena de um plano extra de tomos na formao da rede cristalina.(fig. 14)

Fig. 14 - Representao esquemtica de uma discordncia em forma de cunha



1.3.1.3 Estrutura Cristalina do Ao

No modelo de tomos slidos criados para estudar a rede cristalina do ferro constatou-se a presena de um nico elemento qumico. Ao transportar-se tal estudo para uma situao em que existe a presena de outros elementos qumicos ligados, deve-se ter o cuidado de observar algumas modificaes, segundo descrio abaixo. a) Soluo Slida: a liga homognea de dois ou mais elementos que, em certas propores, se misturam completamente no estado slido, de modo que seus cristais ou gros tem todos a mesma composio qumica. Esses cristais ou gros chamam-se tambm cristais mistos. b) Cristal misto: Os tomos de liga (Cr, Ni, W, C, etc), so dissolvidos prontamente no ao em fuso na aciaria, isto , eles esto distribudos uniformemente entre os tomos de ferro tal como sal na gua.

Se os tomos de liga possurem aproximadamente o mesmo dimetro que os tomos de ferro, eles simplesmente ocupam os lugares dos ltimos na rede cristalina. Eles substituem tomos de ferro. O resultado o cristal misto por substituio. Ex: Nquel e Cromo - atmico ~ 2,5 .

Se os tomos de liga forem pequenos, eles podem formar cristais mistos por insero, ou seja, eles iro ocupar espaos interatmicos na rede.

Ex: O carbono atmico ~ 1,5 , forma um cristal misto por insero com o ferro. Em um cristal podem ocorrer substituio e insero simultaneamente. Assim, no ao cromo-nquel inoxidvel, tomos dos elementos de liga cromo e nquel substituem alguns tomos de ferro na rede cristalina cbica de face centrada, enquanto que o carbono inserido em espaos interatmicos (fig. 15).

Fig. 15 - Cristal misto gama (Ao Austentico 18-8) 1.3.1.4 Difuso Atmica no Estado Slido

O fenmeno da difuso atmica est relacionado com o transporte de tomos, dentro da matria, no estado slido, atravs da movimentao relativa na estrutura cristalina (fig. 16).

Fig. 16 - Difuso atmica. a. intersticial b. substitucional



1.3.1.5 Solubilidade Por causa de seus espaos interatmicos maiores, mais fcil inserir tomos de liga pequenos no ferro gama do que no ferro alfa. No entanto, mesmo para os espaos interatmicos maiores do ferro gama, a maioria dos tomos grande demais. A insero de tomos maiores do que os espaos interatmicos causa uma deformao da rede cristalina do ferro, que se torna maior a medida que aumenta o nmero de tomos inseridos e que por fim limita a solubilidade da rede do ferro para o elemento de liga. De maneira semelhante tambm dificultada a soluo de tomos de liga por substituio na rede espacial, se seu dimetro desviar mais que 15% do dimetro do ferro. Uma vez que os tomos oscilam mais violentamente com o aumento da temperatura e alargam a rede (o parmetro da rede aumenta), os espaos interatmicos tambm aumentam um pouco. O resultado uma capacidade de recebimento maior da rede espacial do ferro em relao a tomos de liga, ou seja, a solubilidade aumenta com a temperatura (fig. 17 e 18).

Fig. 17 - Soluo slida intersticial em ferro a e precipitao de carbonetos

Fig. 18 - Soluo slida intersticial em ferro g

1.4 Propriedades dos materiais

Os materiais muitas vezes so identificados pelos atributos ou qualidades que apresentam, por exemplo os materiais que possuem boa condutibilidade trmica e eltrica so os materiais metlicos. Os atributos ou qualidades dos materiais so conhecidos tecnicamente como propriedades, e so fundamentais para seleo dos mesmos. As propriedades dos materiais dependem da natureza do material, composio qumica e microestrutura. Pode-se classificar as propriedades dos materiais em:

Propriedades fsicas (a tabela 2 apresenta a subdiviso dessas propriedades); Propriedades qumicas; Propriedades fsico-qumicas; Propriedades tecnolgicas.

Tabela 2 Classificao das propriedades fsicas Propriedades Fsicas

Prop. Mecnicas Prop. Trmicas Prop. Eltricas Outras Prop. Fsicas Ductilidade Condutibilidade Condutibilidade Prop. ticas: Dureza Trmica Eltrica Transparncia Elasticidade Expanso Resistncia ao Densidade Res. a trao Trmica Arco Outras Outras Outras Outras



bom salientar, que as propriedades dos materiais, na rea tecnolgica devem estar associadas a relao custo/benefcio dos componentes, pois no justifica-se economicamente selecionar materiais devido a suas propriedades, sendo que o custo invivel comercialmente.

Todas as propriedades, tem sua importncia. Em particular para rea tecnolgica de mecnica, veremos mais detalhadamente as propriedades mecnicas. 1.4.1 Propriedades Mecnicas

As propriedades mecnicas constituem uma das caractersticas mais importantes das ligas metlicas ferrosas em suas vrias aplicaes, visto que o projeto e a execuo de componentes mecnicos estruturais so baseados nestas propriedades.

As propriedades mecnicas definem o comportamento do material quando sujeito a esforos de natureza mecnica e correspondem as propriedades que, num determinado material, indicam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforos que lhe so aplicados, sem romper ou sem que produzam deformaes incontrolveis.

A determinao das propriedades mecnicas dos materiais, pode ser obtida atravs de ensaios mecnicos, que ser abordado num prximo tpico.

A propriedade mecnica que geralmente est associada com componentes mecnicos estruturais e a resistncia mecnica. Outras propriedades mecnicas so elasticidade, ductilidade, dureza, tenacidade, resilincia e outras. A caracterizao dessas propriedades pode ser vista a seguir:

a) Resistncia mecnica pode-se conceituar resistncia mecnica como sendo, a

capacidade dos materiais de resistir a esforos de natureza mecnica, como trao, compresso, cisalhameto, toro, flexo e outros sem romper e/ou deformar-se. Porm, o termo resistncia mecnica, abrange na prtica um conjunto de propriedades que o material deve apresentar, dependendo da aplicao ao qual se destina. muito comum para efeito de projeto relacionar diretamente resistncia mecnica com resistncia a trao.

b) Elasticidade a capacidade que o material apresenta de deformar-se elasticamente. A deformao elstica de um material, acontece quando o material submetido a um esforo mecnico e o mesmo tem suas dimenses alteradas, e quando o esforo cessado o material volta as suas dimenses iniciais.

c) Ductilidade e/ou Plasticidade a capacidade que o material apresenta de deformar-se plasticamente ou permanentemente antes de sua ruptura. A deformao plstica de um material, ocorre quando o material submetido a um esforo mecnico e o mesmo tem suas dimenses alteradas, e quando o esforo cessado o material permanece com as dimenses finais.

d) Dureza essa propriedade embora tenha mais de uma caracterizao, tecnicamente a definio mais utilizada : Dureza uma medida da resistncia do material a deformaes plsticas localizadas. Associada a essa propriedade, temos a resistncia ao desgaste e a resistncia a abraso.

e) Resilincia a capacidade do material absorver e devolver energia sem deformao permanente. Essa propriedade tem validade no campo elstico.

f) Tenacidade a capacidade do material de absorver energia antes de sua ruptura. Uma outra definio para esse termo, a capacidade que o material apresenta de resistir a esforos de impacto.



1.4.2 Propriedade Qumica Uma propriedade importante, que servir de critrio para escolha do material em nosso instrumento gerador (extrusora de massa), a resistncia a corroso, e pode ser definida como: A resistncia que o material apresenta a deteriorao, por ao qumica ou eletroqumica do meio ambiente. 1.4.3 Propriedades Tecnolgicas No processamento de componentes mecnicos, certas propriedades tecnolgicas devem ser consideradas, para que o material a ser processado tenha um comportamento que no comprometa seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua utilizao. Essas propriedades derivam-se das propriedades fsicas, qumicas e fsico-qumicas dos materiais, mas que devido a sua importncia so tratadas como uma nova classe de propriedades, que so:

Usinabilidade de um material pode ser definida como uma grandeza tecnolgica, que expressa por meio de um valor numrico comparativo (ndice ou percentagem) um conjunto de propriedades de usinagem do material, em relao a um outro tomado como padro.

Conformabilidade a capacidade do material de ser deformado

plasticamente, atravs de processos de confomao mecnica. Essa propriedade est associada a ductilidade ou plasticidade do material.

Temperabilidade ou endurecibilidade de aos est diretamente relacionada

com a capacidade que os mesmos tem de endurecer da superfcie em direo ao ncleo, considerando-se a quantidade de martensita formada durante o resfriamento.

Soldabilidade a capacidade que os materiais tem de ser unidos pelo

processo de soldagem, tendo por objetivo a continuidade das propriedades fsicas (mecnicas) e qumicas dos mesmos.

Sinterabilidade a capacidade dos materiais na forma de p, apresentarem

difuso no estado slido, ativada por energia trmica, obtendo-se como produto final, coeso do material na forma desejada.



Referncias Bibliogrficas 1. VAN VLACK, Lawrence H.. Princpios de Cincia dos Materiais. 8 Edio. Editora

Edgard Blcher. So Paulo, 1988. 2. COUTINHO, Telmo de Azevedo. Metalografia de No-Ferrosos. Editora Edgard

Blcher. So Paulo, 1980. 3. SOUZA, Srgio Augusto de Souza. Ensaios Mecnicos de Materiais Metlicos. 3

Edio. Editora Edgard Blcher. So Paulo, 1974. 4. ROTHERY, W. Hume. Estrutura das Ligas de Ferro Introduo Elementar. Editora

Edgard Blcher. So Paulo, 1968. 5. CHIAVERINI, Vicente. Aos e Ferros Fundidos. 6 Edio. Publicao da Associao

Brasileira de Metais. So Paulo, 1988. 6. COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderrgicos Comuns. Editora

Edgard Blcher. So Paulo, 1974. 7. FAZANO, Carlos Alberto T.V.. A Prtica Metalogrfica. Editora Hemus. So Paulo,

1980. 8. VAN VLACK, L. H.. Princpios de Cincia dos Materiais. 8 Edio. Editora Edgard

Blcher. So Paulo, 1988. 9. COUTINHO, T. de A. Metalografia de No-Ferrosos. Editora Edgard Blcher. So

Paulo, 1980. 10. SOUZA, S. A. S.. Ensaios Mecnicos de Materiais Metlicos. 3 Edio. Editora

Edgard Blcher. So Paulo, 1974. 11. ROTHERY, W. H.. Estrutura das Ligas de Ferro Introduo Elementar. Editora

Edgard Blcher. So Paulo, 1968. 12. CHIAVERINI, V.. Aos e Ferros Fundidos. 6 Edio. Publicao da Associao

Brasileira de Metais. So Paulo, 1988. 13. COLPAERT, H.. Metalografia dos Produtos Siderrgicos Comuns. Editora Edgard Blcher.

So Paulo, 1974. 14. FAZANO, C. A. T.V.. A Prtica Metalogrfica. Editora Hemus. So Paulo, 1980. 15. GARCIA, A. et ali. Ensaios dos Materiais. Livros Tcnicos e Cientficos Editora. Rio de

Janeiro, 2000. 16. GENTIL, V.. Corroso. Livros Tcnicos e Cientficos Editora. 3 Edio. Rio de janeiro,

1996. 17. SMITH, W. F.. Pricpios de Cincia e Engenharia de Materiais. Editora McGraw-Hill. 3

Edio. Portugal, 1998.



18. TEICHERT, E. J.. Siderurgia Volume Metalografia e Tratamento Trmico do Ao.

Editora Globo. Porto Alegre, 1962. 19. MORETTO, V. P.. Eletricidade e Eletromagnetismo. Editora tica. So Paulo, 1989. 20. MARTINS, M.. Temperabilidade dos Aos. UFSC. Florianpolis, 1999. 21. SILVA, A. L. C. S. et ali. Tecnologia dos Aos. Editora Hamburg. So Paulo, 1981. 22. SCHEER, L. O que ao? Editora da USP. So Paulo, 1977. 23. Catlogo Villares Aos, So Paulo. 24. Catlogo Piratini Aos, So Paulo. 25. http://www.matls.com

2 Processos de obteno das ligas metlicas ferrosas 2.1 Aos e Ferros Fundidos Um nmero considervel de utenslios e equipamentos, utilizados pelo homem, so construdos a partir de ferro ligado ao carbono, formando o ao e o ferro fundido.

Entretanto o ferro no se apresenta naturalmente na forma de metal, a no ser em mnimas quantidades nos meteoritos. Ele extrado de minrios encontrados nas jazidas naturais, tais como mostrado na tabela 3.

Tabela 3 Principais minrios de ferro Minrio de ferro Frmula Quantidade mdia de ferro (%) Hematita (xido ferroso frrico) Fe203 70,0 Magnetita (xido frrico) Fe304 72,4 Limonita (xido hidratado de ferro) Fe203.3H2O 59,9 Siderita (Carbonato de ferro) FeCO3 48,3

Estes minrios so processados nas usinas siderrgicas, obtendo-se o chamado

ferro gusa. Nas sociedades industriais, o ferro gusa to importante que o seu consumo

aparente per capita -relao entre produo de ao e populao absoluta - serve como elemento de comparao do nvel de desenvolvimento econmico entre pases.

A URSS, os EUA, o Japo, a Repblica Federal da Alemanha, a Tchecoslovquia, o Canad, a Blgica, a Romnia e a Austrlia possuem um consumo aparente per capita de ao superior a 500 kg, por , habitante, por ano. A Itlia, a Frana, o Reino Unido e a Polnia possuem um consumo aparente per capita de ao situado entre 400 e 500 kg/hab/ano. A Espanha, um pouco acima de 300 kg/hab/ano. O Brasil situa-se em tomo de 100 kg/hab/ano.

Esses dados poderiam levar suposio de que pases como EUA e Polnia possussem as maiores reservas de minrio de ferro. No entanto, a tabela 4, que



relaciona minerais e produo per capita, mostra como essa suposio no verdadeira. Como se observa na tabela 4, entre os pases relacionados, o Brasil o que

apresenta maior reserva de minrio de ferro. Apesar disso, a sua produo de ao per capita menor do que a de outros pases. Por outro lado, nota-se que pases como Itlia, Alemanha Ocidental e EUA apresentam produo de ao muito alm das possibilidades de suas reservas.

Isso sugere que muito do minrio de ferro das jazidas brasileiras est sendo processado e consumido no exterior.

Na obteno das ligas metlicas ferrosas nas usinas siderurgicas, o alto forno constitui ainda o principal aparelho utilizado na metalurgia do ferro. A partir dos primeiros fornos, dos tipos mais rudimentares, em que os gases eram perdidos na atmosfera, constantes aperfeioamentos tcnicos vm sendo introduzidos e a capacidade diria paulatinamente elevada. A metalurgia do ferro consiste essencialmente na reduo dos xidos dos minrios de ferro, mediante o emprego de um redutor, que um material a base de carbono o carvo o qual atua igualmente como combustvel e, indiretamente, supridor do carbono para as ligas ferro carbono , que so os principais produtos do alto forno. Tabela 4 Relao de minrio de ferro e produo de ao Pas Reserva de Minrio

de ferro (kt/m) Produo ao

(kt/m) EUA 23.005 67.656 China 53.660 37.160 Polnia 15 14.142 Alemanha Ocidental 387 35.880 frica do Sul 15.370 8.383 Frana 6.200 18.402 BRASIL 81.559 7.660 Itlia 2 24.188 Peru 4.403 274 Venezuela 7.258 2.296 2.1.1 Histrico

O processo de produo de ferro j era dominado pelos hititas (c.3000 a.C.), que o mantiveram em segredo por muito tempo. Com a queda do imprio hitita (c.1200 a.C.), os ferreiros dispersaram-se e j entre os gregos a produo de ferro favoreceu o desenvolvimento de novas tcnicas e ferramentas.

Apesar das modificaes tcnicas ocorridas desde a Antiguidade at nossos dias, esse processo sempre esteve baseado na interao entre minrio e monxido de carbono produzido pela combusto do carvo.



Fig. 19 Representao esquemtica da produo primitiva do ferro.

A figura 19 se refere produo primitiva do ferro. O minrio de ferro entra em contato com o carvo vegetal (C) e o oxignio (02) do ar, soprado pelo fole. Esse contato, sob determinadas condies, produz uma liga de ferro e carbono. A liga produzida pelo povo hitita, pioneiro desse processo, era utilizada para a fabricao de armas. Este "segredo" fez do povo hitita detentor do monoplio da metalurgia do ferro por aproximadamente duzentos anos (c.1400-1200 a.C.). Mais tarde esse povo guerreiro perdeu sua exclusividade e o conhecimento se espalhou para outras civilizaes. O ferro assim obtido apresentava-se em geral relativamente dctil, mole, malevel e podia ser trabalhado por martelamento a temperaturas relativamente elevada. Na realidade, os processos eram de reduo direta, sem que se formasse ferro inteiramente lquido; de fato, as temperaturas alcanadas no eram suficientes para liquefazer o metal, o qual se apresentava no estado pastoso, misturado com as impurezas do minrio. O operador juntava, no fundo do forno, o material com auxlio de uma vara metlica, formando-se uma bola que, depois de atingido um certo peso, era retirada e martelada, para eliminar as impurezas, que apresentavam na forma de uma escria. O resultado final era uma barra ou lupa, posteriormente reaquecida e trabalhada por martelamento. Esse produto consiste no ferro pudlado. Em pocas mais recentes, a partir provavelmente do sculo XIII, o processo mais comum era o da forja catal, na qual o material comumente obtido era exatamente o ferro pudlado. Esses fornos primitivos podiam ser operados de modo a provocar a absoro pelo ferro de uma certa quantidade de carbono, por exemplo at 1%. Esse material revelou-se mais duro e mais resistente que o ferro; alm disso, o fenmeno mais importante ento verificado foi a possibilidade de tornar o material muito mais duro, quando resfriado rapidamente em gua ou outro meio lquido, a partir de altas temperaturas. Praticava-se, assim, um processo emprico de tmpera em ferro com carbono relativamente elevado. As principais datas relativas ao desenvolvimento do alto forno, processo de reduo indireta para obteno do ao, na Inglaterra foram: 1500 - Perfil de construo prximo ao dos atual; 1619 - Primeiro emprego do coque como carvo metalrgico; 1800 - Primeiro emprego do ar aquecido no alto forno.



No Brasil, o grande passo para o estabelecimento da grande siderurgia, baseada em carvo coque, foi dado durante o governo Getlio Vargas, com a instituio em 4 de maro de 1940, da Comisso Executiva do Plano Siderrgico Nacional, resultando na fundao da Companhia Siderrgica Nacional em janeiro de 1941. A Usina foi construda em Volta Redonda, Estado do Rio de Janeiro e inaugurada em outubro de 1946. 2.1.2 - Matrias-primas da Indstria Siderrgica

As matrias-primas bsicas da indstria siderrgica so as seguintes: - Minrio de ferro; - Carvo; - Calcrio.

Outras matrias-primas, minrios principalmente, so igualmente importantes, sobressaindo-se o minrio de mangans, pela sua presena constante em todos os tipos de produtos siderrgicos. O minrio de ferro, como bvio, constitui a matria-prima essencial, pois dele se extrai o ferro. O carvo atua em trs sentidos simultaneamente: como combustvel, como redutor do minrio, que basicamente constitudo de xidos de ferro, e como fornecedor do carbono, que o principal elemento de liga dos produtos siderrgicos. O calcrio atua como fundente, ou seja, reage pela sua natureza bsica, com as substncias estranhas ou impurezas contidas no minrio e no carvo geralmente de natureza cida diminuindo seu ponto de fuso e formando a escria, subproduto do processo clssico do alto-forno. Na figura 20, podem ser visualizados a ilustrao do alto forno com os principais elementos que participam de todo o processo de produo.



Fig. 20 Carga e produtos resultantes de um alto -forno a) Minrio de Ferro

O minrio de ferro constitui a principal matria prima para extrao do ferro.

Encontrado na natureza principalmente sob a forma de xidos, so classificados segundo a concentrao de ferro, como mostrado na tabela 3.

a.1) Beneficiamento do Minrio de Ferro

O termo genrico beneficiamento compreende uma srie de operaes a que os minrios de ferro de vrias qualidades podem ser submetidos, com o objetivo de alterar seus caractersticos fsicos e qumicos e torn-los mais adequado para a utilizao nos altos-fornos. Essas operaes so geralmente: britamento, peneiramento, mistura, moagem concetrao, classificao e aglomerao.

Ser aborda neste texto apenas os mtodos de aglomerao. Existem 4 processos principais de aglomerao do minrio de ferro:

- Sinterizao, que produz snter; - Pelotizao, que produz pelotas; - Briquetagem, que produz briquetes; - Nodulizao, que produz ndulo;



Os mais importantes so os dois primeiros, os quais sero, descritos a seguir:

Sinterizao: consiste em aglomerar-se finos de minrio de ferro numa mistura com

aproximadamente 5% de um carvo finamente dividido, coque ou antracita. A carga colocada em grelhas que se movem a uma determinada velocidade e, num determinado ponto prximo ao fim de percurso das grelhas, a carga aquecida superficialmente, por intermdio de queimadores de gs. As temperaturas utilizadas variam de 1300 a 1500 C, suficientes para promover a ligao das partculas finas do minrio e resultando um produto uniforme e poroso, denominado sinter.

Pelotizao: este o mais novo processo de aglomerao e talvez o de maior xito. Neste processo, produzem-se inicialmente bolas ou pelotas cruas de finos de minrio de alto teor ou de minrio concentrado. A granulao do minrio deve ser normalmente inferior a 325 mesh; adiciona-se cerca de 10% de gua e, geralmente, um aglomerante de natureza inorgnica, como bentonita em proporo de 0,5 a 0,75% de carga. Uma vez obtidas as pelotas cruas, so as mesmas queimadas, para o que se utilizam vrios dispositivos de aquecimento. Um deles constitudo por uma grelha contnua e mvel. No processo, as pelotas so inicialmente secadas, depois pr-aquecidas e finalmente queimadas. Mais recentemente, tem sido utilizado um forno rotativo, onde as temperaturas podem atingir valores da ordem de 1350 oC.

b) Carvo:

O carvo pode ser de dois tipos: o mineral, que de origem fssil, e o vegetal. Antigamente, apenas o carvo vegetal era utilizado. Mas, devido grande devastao das reservas florestais, esse tipo de carvo tornou-se raro, sendo substitudo, gradativamente, por carvo mineral.

O Brasil conta com pequenas reservas de carvo mineral nos Estados de So Paulo, Rio Grande do Sul e Santa Catarina. No entanto, esse carvo considerado de "m qualidade" para uso siderrgico, devido a sua alta porcentagem de cinzas e enxofre, que, alm de reduzir o poder calorfico do carvo, tambm influi nas caractersticas do ao.

Entretanto, essa ma qualidade tambm decorrncia do fato de os altos-fornos brasileiros serem cpias dos estrangeiros, construdos para utilizao de carvo com caractersticas diferentes.

As grandes siderurgicas brasileiras, como Usina de Volta Redonda CSN (RJ), Usina de Ipatinga -USIMINAS (MG) e Usina de Piaagera -COSIPA (SP), utilizam carvo mineral proveniente de Santa Catarina. Este carvo possui um poder calorfico em torno de 5 000 kcal/kg (20 900 kJ/kg), enquanto o do carvo estrangeiro da ordem de 8 000 kcal/kg (33 440 kJ/kg).

O combustvel utilizado no alto -forno o carvo coque ou de madeira cuja as funes so:

- fornecer calor para combusto; - fornecer carbono para a reduo do xido de ferro; - indiretamente, fornecer o carbono como principal elemento de liga do ferro

gusa. b.1) Carvo Coque:

O coque obtido pelo processo de coqueificao, que consiste, em princpio, no aquecimento a altas temperaturas, geralmente em cmaras hermticas, portanto com ausncia de ar, exceto na sada dos produtos volteis, do carvo mineral. Este ltimo



constitudo sobretudo dos restos de matria vegetal que se decomps com o tempo, na presena de umidade, ausncia de ar e variaes de temperatura e presso, por ao geolgica, transformando-se, atravs de milnios, progressivamente em turfa, linhito e antracito. A ao de destilar o carvo mineral pretende eliminar materiais volteis, resultando num resduo que se apresenta como substncia porosa, heterognea, sob os pontos de vista qumico e fsico. c) Calcrio:

O calcrio ( CaCO3) utilizado no alto forno como fundente, ou seja, combina-se com

as impurezas (ganga) do minrio de ferro e com as cinzas do carvo, formando as chamadas escrias.

2.1.3 Conhecendo uma usina siderrgica

Atravs do relato de visita a uma usina siderrgica, ser visto o processo de obteno do ferro, mais detalhadamente.

a) Relato da Visita

Chegando usina, recebemos algumas informaes gerais sobre o processo de obteno do ferro-gusa.

As matrias-primas principais so os minrios de ferro, o coque e calcrio. Esses materiais, no momento de seu uso, so peneirados e dosados para poderem ser introduzidos no alto -forno. Assim se inicia o controle das transformaes qumicas que a ocorrem, atravs da medida das quantidades relativas de matrias-primas.

comum comparar-se as siderrgicas a cozinhas gigantes. Nas cozinhas necessitamos de ingredientes, de panelas adequadas e de fornos - objetos indis-pensveis para a preparao de alimentos. O mesmo ocorre na siderrgica, na qual os "ingredientes" so as citadas matrias-primas. Estas so colocadas numa "panela especial" - o alto-forno - em que so obtidos o ferro gusa e a escria resultante da transformao da ganga - componentes do minrio de ferro que no interessam para a fabricao do ao.

Tanto o ferro gusa como a escria escoam do alto-forno como lquidos incandescentes. Assim, uma diferena marcante entre os procedimentos culinrios e os siderrgicos est na diversidade da temperatura de "cozimento". Enquanto o forno domstico se limita a poucas centenas de graus celsius, os altos fornos das siderrgicas rompem a fronteira dos milhares de graus.

Para entrar nos setores de produo, foi necessrio o uso de capacete e culos de segurana.

Chegando ao ptio de matrias-primas, vimos montes separados de coque de cor preta, minrio de ferro de cor cinza e calcrio de cor branca. O minrio de ferro utilizado nesta usina a hematita, que constituda principalmente por xido de ferro, Fe203.

Pela parte superior do alto-forno, introduzida a mistura de minrio de ferro, carvo e calcrio. Na parte inferior, atravs de orifcios, introduzido ar quente sob presso, que, interage com o carvo, liberando calor .

Na base do alto-forno, vimos a sada de ferro gusa lquido, rubro e incandescente, seguido da escria lquida, tambm incandescente e brilhante. No local sentamos um imenso calor .

O carvo o combustvel que alimenta o alto-forno. Este foi construdo para



funcionar continuamente, no dependendo assim de energia de fonte externa. A cada 40 minutos so produzidas cerca de 40 toneladas de ferro gusa. Isto

corresponde a uma "corrida do ferro". Com esta informao, pode-se imaginar a grande quantidade de ferro produzida diariamente, levando-se em conta que as siderrgicas no interrompem seu funcionamento. Alm disso, segundo informao que recebemos, a produo de ferro gusa prevista para um ano de aproximadamente 530000 toneladas, mantidas constantes as condies de produo.

O ferro gusa que sai do alto forno vai sendo armazenado no carro-torpedo, sendo, como pode ser visto na fig. 21, depois transferido para caambas, que o transportam at o forno Siemens-Martin, localizado na aciaria. aqui que o ferro gusa transformado em ao. Durante este processo, periodicamente so retiradas amostras para serem anali-sadas no laboratrio de controle.

Por ltimo, o ao passa por uma "panela", na qual feito o "ajuste fino" de suas caractersticas e, para isto ocorrer, so acrescentados os metais que lhe conferem propriedades especiais - tungstnio, nquel, crmio, nibio etc.

O ao lquido vazado em moldes, nos quais fica at solidificar, formando os lingotes, cujas massas variam de 50 kg a 30 toneladas. Os lingotes so depois submetidos ao processo de conformao mecnica, por intermdio de laminadores, resultando blocos, tarugos e placas. Estes, finalmente, ainda por intermdio de laminadores, so transformados em formas estruturais como ts, duplos ts, cantoneiras, etc., e em outros produtos siderrgicos importantes, tais como trilhos, tubos, chapas, barras e outros.

Fig. 21 Representao esquemtica de um alto forno



b) Principais transformaes que ocorrem no alto forno

As matrias-primas -minrio de ferro (hematita), coque e calcrio (carbonato de

clcio)- so colocadas no alto forno, obtendo-se como produto final ferro gusa e a escria. O processamento do minrio pode ser representado pela equao global:

estado inicial estado final

2Fe203(s) + 6C(s) + 302 (g) 4Fe(s) + 6C02 (g) + energia

Minrio De ferro

Carvo gs oxignio

ferro Dixido de carbono

Luz e calor

Essa equao representa o que observado na "entrada" (estado inicial) e na "sada" (estado final) do alto-forno. No entanto, nesse trajeto, ocorrem vrias etapas.

Para dar incio ao processo de transformao, injetado ar quente pela parte inferior do alto-forno. O gs oxignio, contido no ar injetado, interage com o carvo, que contm carbono, liberando energia.

2C + 02 2CO + energia

Essa interao constitui a primeira etapa, e os seus produtos -, o monxido de carbono e o calor - so os principais agentes do processo siderrgico global. 0 calor liberado nessa combusto causa elevao da temperatura no interior do alto-forno, obtendo-se temperaturas variveis nas diferentes regies do alto-forno, favorecendo a ocorrncia de transformaes qumicas distintas. Na figura 22, esto representadas algumas dessas transformaes at a obteno do ferro-gusa.

Fig. 22 Representao das transformaes que ocorrem dentro do alto forno



Nota-se que essas transformaes tm um reagente comum, o monxido de

carbono. Este gs se difunde pelo interior do alto-forno, entrando em contato com os diferentes compostos de ferro, formados nas diferentes etapas do processo.

Analisando as equaes de cada etapa, observa-se que o xido magntico de ferro (Fe2O4) produzido numa transformao e consumido em outra. O mesmo ocorre com o monxido de ferro (FeO). Desse modo pode-se representar o processo pela equao global, embora, na prtica, a obteno do ferro ocorra atravs de vrias etapas.

A existncia de impurezas no ferro gusa abaixa o ponto de fuso do metal, que da ordem de 1500C, para cerca de 1100C. Como a temperatura na regio inferior do alto forno muito superior ao ponto de fuso do metal impuro, este funde, escorrendo para aparte inferior, onde recolhido.

Ao mesmo tempo em que o minrio processado, a ganga, constituda geralmente por slica (SiO2), transformada em escria (silicato de clcio, CaSiO3) atravs de processo do qual participa o calcrio.

Esse processo tambm ocorre em etapas, mas pode ser representado pela equao global: SiO2(s) + CaCO3(s)

CaSiO3(s) + CO2 (g)

Ganga Calcrio Escria Dixido de Carbono

O calcrio, devido ao calor, decompe-se em xido de clcio e gs carbnico. CaCO3(s) + energia trmica CaO(s) + CO2(g)

O xido de clcio interage com a ganga (impurezas do minrio) para formar escria,

baixando o ponto de fuso da mesma.

CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(s) + energia trmica No processo ocorrido dentro do alto forno, observa-se que o minrio, o carvo e o

calcrio (matrias-primas ou reagentes) se transformam em ferro-gusa e escria (produtos), sendo este um exemplo de transformao que se d atravs de etapas. Estas correspondem a diversas transformaes qumicas em que os produtos de uma so os reagentes de outra. Alm disso, a maioria das transformaes que ocorrem no alto forno so exotrmicas. Isso explica por que esse processo auto-suficiente em termos energticos, j que as transformaes endotrmicas utilizam energia das transformaes exotrmicas, que liberam tanto calor para o ambiente, como foi observado no relato da visita.

2.1.4 Processos de obteno do ao 2.1.4.1 Classificao dos processos

Os processos de fabricao do ao podem ser classificados em: a) Quanto a matria-prima , o ao pode ser obtido a partir de: Gusa atravs dos processos Bessemer, Thoms, LD e Siemens-Martin Sucata de ao atravs dos processos Siemens-Martin e Forno eltrico a arco



Ferro-esponja atravs de forno eltrico a arco b) Quanto a fonte de energia os processos podem ser: Autgenos conversores, em que o calor gerado pelas reaes de oxidao No autgeno em que o calor gerado por combustvel (processo Siemens-Martin) ou energia eltrica (forno a arco ou induo) c) Quanto ao tipo de forno: Conversores Bessemer, Thomas e LD Fornos com abboda Siemens-Martin, forno eltrico a arco Forno a cadinho Forno eltrico a induo d) Quanto ao produto (tipo de ao) Aos comuns conversores, Siemens-Martin, forno eltrico Aos especiais para construo mecnica Siemens-Martin, forno eltrico a arco. Aos de alta liga (ao ferramenta, aos inoxidveis, aos refratrios) forno eltrico a arco e forno a induo Aos muito especiais forno eltrico a arco, forno de induo vcuo 2.4.1.2 Processos de obteno do ao atravs do refino do gusa

O ferro de primeira fuso (ferro gusa), bastante heterogneo e impuro, e os elementos qumicos de sua composio, esto acima dos valores aceitaveis para ser considerado ao, como pode ser visto na tabela 5. Tabela 5 Relao entre a composio qumica do gusa, e dos aos E.Q. Composio aproximada do ferro gusa (%) Composio aproximada do ao (%) C 3,50 a 4,50 0,06 a 2,00 Mn 0,50 a 2,50 0,50 Si 0,50 a 4,00 0,25 P 0,05 a 2,00 < 0,05 S 0,20 < 0,05 - E.Q. Elemento Qumico

Para transformar o ferro gusa em ao necessrio fazer uma sensvel reduo de todos os elementos de sua composio, entre os processos mais utilizados para produo de ao em escala industrial, temos o processo Bessemer, o processo Thomas, o processo LD, que so classificados tambm como processos pneumticos, o processo Siemens-Martin e os fornos eltricos. a) Caracterizao do Processo Bessemer Este processo baseia-se em diminuir o C, Si e Mn do gusa lquido soprando ar atravs do banho e assim convertendo-o em ao. Por ser um processo cido no so eliminados o P e S, por este motivo a presena desses elementos deve ser mnima. O oxignio do ar que se combina com o C e Si do gusa gera calor suficiente para manter fundido o metal e a escria. O equipamento em que se efetua este processo chamado de conversor (figura 23), suas caractersticas de construo, compreendem de uma carcaa de chapa de aos em forma de pera, revestida internamente com tijolos refratrios. Normalmente usa-se refratrios de slica (cido) para evitar a reao com a escria cida, resultante do processo. O fundo do conversor perfurado, para injeo de ar, e de fcil troca, j que sua vida til, devido a severidade no uso baixa.



Fig. 23 Representao esquemtica de um conversor Bessemer, e as etapas de operao. Caractersticas tcnicas do processo e conversor: Carga minrio de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata (pequena

quantidade) + ferro gusa (lquido); Tempo de cada corrida 15 minutos; Presso do ar injetado 1,4 a 1,7 atm; Capacidade de carga do conversor 25 a 40 toneladas; Temperatura mxima utilizada no processo 1600C; Devido as reaes de oxidao dos elementos qumicos, serem fortemente

exotrmicas (principalmente a do silcio) , dispensa qualquer tipo de combustvel; A desoxidao realizada atravs da adio de Fe-Si, Fe-Mn ou Al; Principais reaes do processo: oxidao do silcio e oxidao do carbono nesta

ordem b) Caracterizao do processo Thomas

Processo semelhante ao Bessemer, porm indicado para o ferro gusa rico em fsforo e com baixo teor de silcio, diferindo na composio da carga, pois adiciona-se cal, para reduo do P e S. O conversor identico ao Bessemer, porm o material refratrio para o revestimento interno do conversor bsico (tijolos de dolomita), devido a escria resultante do processo ser bsica. A quantidade de cal utilizada depende do teor de Si e P. Seqncia de operao: 1. carregamento de sucata e minrio; 2. carregamento de gusa lquido; 3. injeo de ar; 4. vazamento e desoxidao do ao. As principais reaes ocorrem nesta seqncia, oxidao do Si e Mn, oxidao do C, oxidao do P.



c) Caracterizao do processo LD

O processo LD, tem como princpio injeo de oxignio, pela parte superior do conversor. A injeo do oxignio realizada atravs de uma lana, constituda de trs tubos concntricos de ao, em que O2 passa pelo tubo central, e os dois tubos adjacentes servem para refrigerao com gua. A forma do conversor similar ao conversor Bessemer e Thomas, conforme figura 24. Caractersticas tcnicas do processo e conversor: Carga minrio de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata (pequena

quantidade) + ferro gusa (lquido)+ cal; Tempo de cada corrida 40 a 50 minutos; Distncia da lana a superfcie do banho 0,3 a 1,2 metros Capacidade de carga do conversor 100 toneladas; Temperatura mxima utilizada no processo 2500 C; Possuem sistema de tratamento de resduos gasosos e slidos, resultantes do

processo. Oxignio injetado tem uma pureza que varia de 90 a 95%. As principais reaes ocorrem nesta ordem, oxidao do Si, oxidao do C.

Fig. 24 Representao da produo de ao num conversor LD. d) Caracterizao do processo Siemens-Martin Os fornos Siemens-Martin so fornos nos quais podem ser realizados o refino do gusa e tambm, a elaborao de ao a partir de sucata, o que no possvel nos conversores, pois nestes o calor consumido proveniente das reaes de oxidao dos elementos do banho metlico (carga lquida) por meio da introduo de ar ou oxignio. Esses fornos so constitudos de um mufla de tijolos refratrios para receber a carga que pode ser slida ou lquida, e de dois pares de cmaras recuperadoras, tambm de tijolos refratrios.



O forno funciona pelo sistema de regenerao do calor os gases quentes que saem do forno vo aquecendo o gs (combustvel se for o caso) e o ar, respectivamente, dando entrada no forno em alta temperatura (figura 25). A inverso da cmara feita de hora em hora, por meio de vlvulas, com o aquecimento da coroa, as chamas de natureza oxidante vo reduzindo o teor de carbono, silcio e mangnes do gusa. Os materiais refratrios utilizados no revestimento dos fornos, dependem da natureza da carga, se for silicosa (cida) reveste-se com refratrios cidos, se for fosforosa (bsica) reveste-se com refratrios bsicos. Caractersticas tcnicas do processo e do forno: Carga minrio de ferro (pequena quantidade, opcional) + sucata + ferro gusa

(lquido)+ calcreo (CaCO3). A carga pode ser constituda somente de ferro gusa ou sucata.

Tempo de cada corrida 4 a 5 horas; Capacidade de carga do conversor varia de 50 a 300 toneladas; Temperatura mxima utilizada no processo 2000 C; A desoxidao realizada atravs da adio de Fe-Si, Fe-Mn ou cal dependendo da

natureza da carga e do refratrio; O combustvel utilizado pode ser gs natural, gs de coqueria ou leo combustvel.

Fig. 25 Representao esquemtica de um forno Siemens-Martin e) Fornos eltricos A produo de aos liga de alta qualidade (grande refinamento), realizada atravs da utilizao de fornos eltricos. A grande vantagem desses equipamentos a pureza da fonte de calor (energia eltrica), onde o material a ser processado, no interage com o combustvel, o que no ocorre com os outros processos j descritos. Outro fator que diferencia esses equipamentos dos demais, que consegue-se temperaturas elevadas, com fcil regulagem dos parmetros de energia eltrica, o que no se



consegue por meio de combustveis. O sistema de aquecimento dos fornos eltricos podem ser direto e indireto. O aquecimento direto, quando a corrente eltrica atravessa a carga. E o aquecimento indireto, ocorre quando a corrente no tem contato com a carga, o calor transmite-se por irradiao. De acordo com a forma de aproveitamento da energia, os fornos eltricos so classificados em trs tipos:

Fornos de arco voltaico; Fornos de induo; Fornos de resistncia. A utilizao dos fornos eltricos, e o processamento do ferro gusa para obteno

do ao, desenvolve-se em trs fases: 1. Oxidao onde so adicionados pedaos de minrio de ferro, rico em xido de

ferro com a finalidade de oxidar o carbono, silcio, mangnes, fsforo e enxofre. 2. Reduo (desoxidao do ao) feita com adies de ferro, silcio, ferro

mangans, e alumnio. 3. Acerto da composio desejada com adies de elementos qumicos

previamente determinados como: cromo, nquel, vandio, tungstnio, cobalto e outros. Obtendo-se os aos finos especiais para ferramentas, e os aos liga para componentes mecnicos de equipamentos de grande responsabilidade.

A figura 26, ilustra todo o processo de obteno do ao desde o minrio at os

produtos siderrgicos. Referncias bibliogrficas 1. CHIAVERINI, V.. Tecnologia Mecnica. Volume II. Editora McGraw-Hill do Brasil. So

Paulo, 1979. 2. BOSQUILHA, G. E. et ali. Interaes e Transformaes I . 6 Edio. Editora da

Universidade de So Paulo. So Paulo, 2000. 3. ARANTE, J. T.. Metalurgia do Ferro. Apostila do curso de mecnica ETFSC.

Florianpolis, 1987.



3 - Ligas metlicas ferrosas As ligas metlicas ferrosas, so as mais utilizadas na construo mecnica, em elementos estruturais e componentes diversos. O ferro um metal abundante na crosta terrestre e caracteriza-se por ligar-se com muitos outros elementos metlicos e no-metlicos, o principal elemento dos quais o ferro combina-se, o carbono. Por este fato, essas ligas tambm so denominadas de ligas ferro carbono, e dividem-se em dois tipos principais os aos e ferros fundidos. O fenmeno do polimorfismo, como visto anteriormente com o ferro, tambm se apresenta nas ligas ferro carbono (ser estudado no tpico seguinte). Caracterstica que permite, a essas ligas (principalmente os aos) de serem tratadas termicamente, com o objetivo de alterar as propriedades mecnicas, possibilitando as mais variadas aplicaes. A adequada aplicao das ligas ferro carbono, exige um conhecimento das propriedades, e consequentemente da microestrutura, que so dependentes das condies de processamento e da composio qumica. Esse texto consistir nas definies das principais ligas ferro carbono, e nas classificaes, segundo a composio qumica e tambm quanto as aplicaes. Descrevendo ainda a influncia dos elementos de liga. 3.1 - Definies Definir as ligas ferro carbono, no to simples quanto parece, visto que apesar de levarem o nome de dois elementos qumicos, na prtica as mesmas no so ligas binrias, sempre se tem a presena de elementos qumicos secundrios oriundos da forma de obteno desses materiais ou adicionados propositalmente para melhorar as propriedades mecnicas. Sero adotadas as seguintes definies, segundo a tabela 6. Tabela 6 Classificao geral e principais definies das ligas ferro carbono

Aos carbono, a liga contendo geralmente 0,008% at cerca de 2,11% de carbono, alm de certos elementos residuais resultantes do processo de obteno.

Aos Aos liga, a liga que contm, alm dos teores de carbono j mencionados nos aos carbono, outros elementos de liga alm dos residuais, com objetivo de conferir as propriedades especiais.

Branco, caracterizado por apresentar baixo teor de silcio,e microestrutura rica em Fe3C. Malevel, obtido do fofo* branco, mediante trat. trmico de maleabilizao, tranformando Fe3C em grafita nodular. Cinzento, caracterizado por apresentar alto teor de silcio, e microestrutura com grafita livre e Fe3C.

Lig

as fe

rro

carb

on

o

Ferros Fundidos, liga ferro carbono silcio, com teor de carbono entre 2,11 e 6,67%.

Nodular, obtido do fofo cinzento, atraves de um tratamento no estado lquido, resultando em grafita esferoidal.

* fofo - Ferro fundido



3.1.1 Aos Os aos em geral apresentam as seguintes caractersticas e propriedades: Cor acinzentada; Densidade = 7,8 g/cm3; Temperatura de fuso entre 1250 a 1450 C; Dutibilidade, tenacidade, elasticidade, resistncia mecnica, resilincia; Soldabilidade, temperabilidade, usinabilidade, forjabilidade.

O principal elemento de liga o carbono, a variao no teor desse elemento altera as propriedades mecnicas. Por exemplo, com o aumento do teor de carbono a dureza e a resistncia a trao aumentam, mas diminui a resilincia e a dutilidade. Esses materiais podem ser tratados termicamente como ser visto no item 7.

Como foi visto anteriormente, esse material divide-se em duas classes os aos carbono e os aos ligas. Sendo que os aos ligas tambm subdivide-se em aos baixa e alta liga, dependendo do teor de elementos de liga. Se for abaixo de 5% e considerado de baixa liga, sendo superior a 5% denominado de alta liga.

Os aos ao carbono, podem ser subdivididos tambem em aos baixo, mdio e alto carbono, com teores que variam aproximadamente de: 0,008 a 0,3% para os baixos carbonos, de 0,3 a 0,5% para os aos de mdio teor de carbono, e aos alto carbono acima de 0,5%, conforme classificao da ABNT. 3.1.2 Ferros Fundidos

O ferro fundido, normalmente obtido da fuso do ferro gusa com sucata (at

50%), em fornos do tipo cubil, ou fornos eltricos. O carbono est presente nos ferros fundidos sob duas formas: Grafite (carbono puro) ferro fundido cinzento, nodular, e parcialmente no

malevel. Cementita (carboneto de ferro Fe3C) ferro fundido branco, e parcialmente no

malevel. Os principais elementos que influenciam, na obteno do tipo de ferro fundido, so

o silcio e o mangans, sendo que o primeiro elemento qumico favorece na obteno do fofo cinzento e o segundo elemento qumico favorece na obteno do fofo branco.

Ferro fundido cinzento caracteriza-se por apresentar fratura cinzenta com gro

finos. A forma da grafita (lamelar, acicular, esferoidal), serve para classificar os ferros fundidos cinzentos. O fofo nodular ou esferoidal, possui tima fluidez e tima usinabilidade. So designados pelos algarismos FCXX, os dois primeiros algarismos indicam que fofo cinzento, e os dois ltimos algarismos representam o limite de resistncia a trao. Ex: FC10, fofo cinzento com L.R. a trao de 10 Kgf/mm.

Ferro fundido branco caracteriza-se por apresentar fratura branca acinzentada, com gro grosseiros. So duros, de difcil usinagem, apresentam notvel resistncia a abraso.



3.2 Classificao dos aos As ligas ferro carbono, como foi visto, apresentam grande variedade de tipos, s os aos apresentam mais de 1200. Foram ento criados sistemas de classificao, que se baseiam em dois critrios: composio qumica (aos carbono e aos liga), e tambm quanto a aplicao do ao (inoxidvel, ferramenta), e sero vistos a seguir 3.2.1 Classificao segundo a composio qumica Existem vrios sistemas para designar os aos, sero estudados os sistemas mais usuais.

a) Sistemas ABNT/SAE/AISI/ASTM de classificao dos aos A importncia do carbono no ao tornou desejvel que se dispusesse de uma forma para designar os diferentes tipos de ao, na qual se pudesse indicar o teor de carbono. Usa-se um conjunto de quatro algarismos, no qual os dois primeiros algarismos indicam o tipo do elemento de liga adicionado ao ferro e carbono. E os dois ltimos algarismos divididos por 100 indicam o teor de carbono no ao (tabela 7). Por exemplo, o ao ABNT 1020, os dois primeiros algarismos indicam que um ao ao carbono, e os dois ltimos algarismos indicam que o teor de carbono igual a 0,2% (mais ou menos, permite uma pequena faixa de variao). Essas designaes so aceitas como padro pela ABNT/SAE/AIS I/ASTM. Muitos dos aos comerciais no se incluem nesta classificao, ou pelas composies serem diferentes das utilizadas nos tipos previstos, ou por envolverem faixas menores de variao dos teores dos elementos de liga. Entretanto, estes aos tem aplicaes mais especficas e no so mantidos em estoque pelos fornecedores.



Tabela 7 Classificao dos aos segundo a composio qumica Designao ABNT/SAE/AISI/ASTM*

Tipos de Ao

10XX Aos carbono comuns 11XX Aos de usinagem fcil, com alto teor de S 12XX Aos de usinagem fcil, com altos teores de P e S 13XX Aos Mn com 1,75% de Mn mdio 15XX Aos Mn com mangans acima de 1,0% 40XX Aos Mo com 0,25% de Mo mdio 41XX Aos Cr Mo c/ 0,4 a 1,1% de Cr e 0,08 a 0,35% de Mo 43XX Aos Ni Cr Mo c/ 1,65 a 2,0% de Ni, 0,4 a 0,9% de Cr e

0,2 a 0,3% de Mo 46XX Aos Ni Mo com 0,7 a 2,0% de Ni e 0,15 a 0,3% de Mo 47XX Aos Ni Cr Mo com 1,05% de Ni,0,45% de Cr e 0,2% Mo 48XX Aos Ni Mo c/ 3,25% a 3,75% de Ni e 0,2 a 0,3% de Mo 51XX Aos Cr com 0,7 a 1,1% de Cr 61XX Aos Cr V com 0,6 ou 0,95% Cr e 0,1 ou 0,15% de V 86XX Aos Ni Cr Mo c/ 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,2% de Mo 87XX Aos Ni Cr Mo c/ 0,55% de Ni, 0,5% de Cr e 0,25% Mo 88XX Aos Ni Cr Mo c/ 0,55% de Ni,0,5% de Cr, 0,3 a 0,4%Mo 92XX Aos Si com 1,8 a 2,2% de Si

50BXX Aos Cr c/ 0,2 a 0,6% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro 51BXX Aos Cr c/ 0,8% de Cr e 0,0005 a 0,003 de boro 81BXX Aos Ni Cr Mo c/ 0,3% Ni, 0,45% Cr, 0,12% Mo e 0,0005

a 0,003 de boro 94BXX Aos Ni Cr Mo c/ 0,45% Ni, 0,4% Cr, 0,12% Mo e 0,0005

a 0,003 de boro * ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas SAE Society of Automotive Engineers (Sociedade dos engenheiros automotivos) AISI American Iron and Steel Institute (Instituto americano de aos e ferros fundidos) ASTM American Society for Testing Materials (Sociedade americana de testes de materiais) b) Sistema de classificao dos Aos segundo as normas alems DIN Uma outra forma de designar os aos e segundo a norma DIN. E pode ser melhor entendida como demonstrado a seguir. b.1) Aos comuns para construo mecnicas

So indicados com o prefixo St seguidos pelo valor da resistncia de ruptura a trao em Kgf/mm2.

Ex. Ao St 37 (Ao com sr= 37 Kgf/ mm2) b.2) Aos carbono de qualidade

So classificados com a letra C seguidos pela percentagem de carbono multiplicado por 100.



Ex. Ao C 15 (ao carbono com 0,15%C)

b.3) Aos liga

So indicados por uma expresso de letras e nmeros com os seguintes significados: 1 Nmero representativo da % de C. 2 Smbolos qumicos dos elementos de liga que mais caracterizam o ao. 3 Percentagem dos elementos de liga dividido por 4 -10-100 respectivamente. Ex: 15 Cr 3 (Ao cromo 0,15% C 0,75% Cr) 22 Cr Mo 54 (Ao cromo molibdnio com 0,22%C 1,25%Cr 0,4%Mo) Se a expresso indicativa for precedida po X, o ltimo grupo de nmero no representa mais a percentagem convencional dos elementos de ligas e sim a percentagem real segundo ordem. Ex: X 10 Cr Ni Ti 1892 (Ao com: 0,1%C 18%Cr 9%Ni 2%Ti) 3.2.2 Classificao quanto a aplicao do ao Uma outra forma de classificarmos os aos, segundo a sua aplicao, a seguir temos alguns exemplos deste tipo de classificao. a) Aos de usinagem fcil tem essa denominao, pois alm de manterem boas propriedades mecnicas, apresentam corte fcil. A excelente usinabilidade, conseguida nesses materiais, deve-se a adio de Enxofre, Mangans e Chumbo. Ex: ao ABNT 1111, ao ABNT 1112. b) Aos para cementao a cementao consiste na introduo de Carbono na superfcie do ao de modo que este, depois de temperado e revenido, apresente uma superfcie mais dura. A cementao empregada quando se deseja uma superfcie dura e resistente ao desgaste, sobre um ncleo tenaz e insensvel a choques e a flexo (engrenagens, eixos, pinos, outros). Podem ser cementados os aos carbonos e os aos ligas de baixo teor de C (0,08 a 0,25 %). Ex: ao ABNT 1020, ao ABNT 8620. c) Aos para beneficiamento os aos para beneficiamento so indicados para a construo de elementos de mquinas de pequenas dimenses, alta resistncia e mxima tenacidade. Estes aos apresentam elevado limite de elasticidade, bom alongamento e grande resistncia. O beneficiamento um tratamento trmico composto de tmpera e de revenido. O beneficiamento melhora as propriedades mecnicas do ao, como a resistncia a trao e dureza. Principalmente a resistncia a solicitaes dinmicas. Ex: ao ABNT 4340, ao ABNT 8640. d) Aos para molas esses aos devem apresentar: alto limite de elasticidade, elevada



resilincia, grande resistncia mecnica e alto limite de fadiga. Quando as molas destinam-se a cargas fracas usam-se aos carbono, para cargas de alta intensidade usam-se aos ligados, como Aos Cr ou Aos Ni Cr Mo. Ex: ao ABNT 9260, ao ABNT 5160. e) Aos para ferramentas e matrizes estes aos alm de apresentarem alta dureza e elevada resistncia ao desgaste, devem possuir, boa endurecibilidade, elevada resistncia mecnica, elevada resilincia, resistncia ao calor, usinabilidade razovel. As altas durezas e resistncia ao desgaste so conseguidas pelo alto teor de carbono ou pela adio de elementos de ligas que aumentam tambm as outras propriedades. Ex: ao ABNT O1 (Oil leo), ao ABNT A2 (Air Ar). f) Aos resistentes corroso esses aos tambm chamados aos inoxidveis, caracterizam-se por uma resistncia a corroso superior a dos outros aos. Sua denominao no totalmente correta, porque na realidade os prprios aos ditos inoxidveis so passveis de oxidao em determinadas circunstncias. A expresso mantida por tradio. Quanto a composio qumica, os aos inoxidveis caracterizam-se por um teor mnimo de cromo da ordem de 12%. A resistncia a corroso destes aos explicada por vrias teorias. Uma das mais bem aceitas a teoria da camada protetora constituda de xidos. Segundo essa teoria, a proteo dada por uma fina camada de xidos, aderente e impermevel, que envolve toda superfcie metlica e impede o acesso de agentes agressivos. Outra teoria, surgida posteriormente, julga que a camada seja formada por oxignio adsorvido. O assunto controverso e continua sendo objeto de estudos e pesquisas. Entretanto, o que parece estar fora de dvida que, para apresentarem suas caractersticas de resistncia a corroso, os aos inoxidveis devem manter-se permanentemente em presena de oxignio ou de uma substncia oxidante. Dependendo da aplicao, estes aos devem possuir boa resistncia mecnica e ao calor, alm da resistncia a corroso. Classificao - costuma-se agrupar os aos inoxidveis, segundo sua estrutura cristalina, nas seguintes classes:

Aos inoxidveis ferrticos apresenta estrutura ferrtica em qualquer temperatura. ferromagntico e no endurecvel por tmpera. Ex: ao AISI 430.

Aos inoxidveis martensticos apresenta como caracterstica predominante a capacidade de adquirir estrutura martenstica por tmpera. Este ao ferromagntico. Ex: ao AISI 410 e 420.

Aos inoxidveis austenticos apresenta estrutura austentica em qualquer

temperatura. paramagntico e no endurecvel por tmpera. Mediante deformao a frio, pode adquirir estrutura parcialmente martenstica, apresentando ento leve ferromagnetismo. Ex: ao AISI 302, 303, 304, 316L.

Podendo existir tambm as estruturas mistas, os chamados aos inoxidvies

duplex. Influncia do teor de carbono o teor de carbono influncia nas caractersticas

dos aos inoxidveis de diferentes modos. A partir de um certo teor, o carbono torna temperveis determinados aos, que por

este motivo so classificados como martensticos; com teores mais baixos de carbono, o



mesmo ao no tempervel, enquadrando-se portanto entre os aos ferrticos. Esse o caso tpico dos aos cromo com 13% a

Documents

53661012 Apostila Tecnologia Dos Materiais