TECNOLOGIA DOS

MATERIAIS

CURSO PROCESSO DE PRODUÇÃO

2º SEMESTRE

Profº Panesi

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AULA 1

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS

METÁLICOS

Um bom conhecimento de materiais é importante não só para quem projeta ou

constrói como para aquele que simplesmente realiza manutenção de

equipamento mecânico (saber substituir um material por outro). Para tanto o

material deverá ser avaliado sob dois aspectos fundamentais: suas qualidades

mecânicas e seus custos de matéria - prima e de produção.

Também é com o conhecimento das propriedades dos materiais que podemos

escolher os fatores de segurança e estes influem decisivamente na parte

econômica do projeto.

O número de materiais usados na construção mecânica é elevadíssimo,

bastando dizer que só de aços existem várias centenas de tipos.

Se considerarmos um automóvel, por exemplo, veremos que o número de

materiais diferentes que o compõem, ultrapassa uma centena. Como exemplo,

podemos citar que as válvulas de admissão e escapamento são feitas

contendo silício, cromo e níquel e a segunda pode ser de um aço especial

contendo silício e cromo em percentagens diferentes. Já nos motores de avião

as válvulas de escapamento podem ser ocas e cheias de sódio ou mercúrio. Ao

estudarmos a classe dos materiais metálicos podemos dividi-los em dois

grupos distintos: ferrosos e não ferrosos.

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PROPRIEDADES FÍSICAS

a) Densidade ( )

É a relação entre a massa de uma substância e o volume ocupado pela

mesma.

= m /V ( Kg/m3)

b) Peso Específico()

É a relação do peso da substância e o volume ocupado pela mesma.

= P / V = mg / V = .g ( N/ m3)

c) Condutividade Térmica (k)

Propriedade que possuem certos corpos de transmitir com maior ou menor

facilidade o calor.

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Tabela 1.1 Condutividade térmica e densidade de certos metais a 20ºC

Elemento Condutividade térmica

(W/mK)

Densidade (Kg/ m3)

Alumínio 236 2702

Cobre 399 8933

Ouro 316 19300

Ferro 81,1 7870

Manganês 7,78 7290

Molibdênio 138 10240

Níquel 91 8900

Mercúrio --------- 13546

Platina 71,4 21450

Bronze --------- 8800

d) Condutividade elétrica

Propriedade que possuem certos corpos de transmitir com maior ou

menor facilidade a corrente elétrica. A condutividade está relacionada com a

resistividade, ou seja, quanto menor for a resistividade de um material, menor a

sua resistência elétrica.

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Tabela 1.2 Resistividade de alguns materiais a 20ºC

Material Resistividade

(m)

Prata 1,6 x10-8

Cobre 1,7 x10-8

Alumínio 2,7 x10-8

Ferro 10 x10-8

Níquel-cromo 150 x10-8

Semicondutores 10-1 a 104

Isolantes 1011 a 1018

PROPRIEDADES TECNOLÓGICAS

a) Maleabilidade

Propriedade do material de ser deformado permanentemente, pela

compressão, sem se romper, ou seja, a possibilidade de ser laminado ou

amassado.

b) Ductilidade

Propriedade do material de ser deformado permanentemente, pela

tração, sem se romper, ou seja, a possibilidade de ser estirado ou trefilado.

c) Soldabilidade

Capacidade do material de ser soldado (rejuntado) por caldeamento

(compressão a quente das partes a serem unidas, sem utilização de material

auxiliar). Materiais de baixa caldeabilidade só podem ser soldados através de

eletrodos especiais.

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A soldabilidade depende do tempo em que o metal permanece num estado

sólido – plástico, sob o efeito do calor produzido pela ação soldante. O metal

ou liga que passar instantaneamente do estado sólido para o líquido é

dificilmente soldável. (Ex.: ferro fundido).

d) Temperabilidade

Propriedade que certos metais possuem de modificarem a sua estrutura

cristalina após um aquecimento prolongado seguido de resfriamento brusco.

e) Usinabilidade

Capacidade do material apresentar maior ou menor resistência de ser

usinado (cortado, desbastado, furado, etc.) pela ação de uma ferramenta de

corte. Podemos relaciona-la também com a “vida da ferramenta de corte”, ou

com a “energia ou tempo necessário ara removermos certa quantidade de

material”. Os graus de usinabilidade dos diferentes aços são estabelecidos em

função do aço de CORTE LIVRE SAE 1112 que é tido como o de 100% de

usinabilidade.

Por exemplo, se disser que a usinabilidade de aço SAE 1070 é de 45 %,

significa que na usinagem deste aço, o rendimento é de 45% em relação ao do

aço SAE 1112.

Os fatores envolvidos nessas propriedades são entre outros:

Natureza do material sob usinagem

Natureza do material da ferramenta

Forma da ferramenta

Condições de corte: velocidade, avanço, profundidade de corte

Natureza da operação de corte: torneamento, frezamento, etc.

Natureza do corte: contínua ou interrompido

Condições da máquina operatriz

Refrigeração

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Devido a necessidade de termos um custo cada vez mais baixo na

indústria, para reduzirmos os custos em uma produção em massa, a

usinabilidade é uma propriedade de grande interesse e assim, temos uma série

de profissionais estudando métodos de melhorarmos a usinabilidade dos

materiais. Podemos assim melhorar a usinabilidade dos materiais basicamente

por dois métodos:

Modificação do desenho da ferramenta

Alteração da sua estrutura

PROPRIEDADES MECÂNICAS

a) Plasticidade

Propriedade do material de suportar uma deformação permanente sem

se romper. A plasticidade tem grande importância nas operações de

dobramento, estampagem e extrusão. O material quando submetido a um

esforço sofre uma deformação permanente, e só se rompe quando a tensão

aplicada ao material ultrapassa a tensão máxima.

A plasticidade é influenciada pelo calor ( aço ao rubro torna-se bastante

plástico).

O inverso da plasticidade é a fragilidade ou quebrabilidade; assim, um

material é dito frágil ou quebradiço quando o mesmo ao romper-se apresenta

uma pequena deformação.

A plasticidade pode ser subdividida em:

Maleabilidade

Ductilidade

b) Tenacidade

A tenacidade mede a capacidade que o material tem de absorver

energias até fraturá-lo incluindo a deformação elástica e plástica quando essa

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energia é absorvida progressivamente. Para que um material seja tenaz, ele

deve exibir tanto resistência como ductilidade.

c) Elasticidade

É a propriedade do material, cuja deformação causada por uma tensão,

desaparece quando esta deixa de agir. Em termos de engenharia, o maior

interesse concentra-se mais na tensão do que na deformação, e é esta a razão

porque se registra, para os dados técnicos de elasticidade o valor da tensão

que representa o limite de elasticidade. Ex.: aço para molas.

d) Dureza

Propriedade do material de se opor à penetração de outro material.

Quando aumentamos a dureza de um material aumentamos a sua resistência

mecânica e sua fragilidade, diminuindo a sua ductilidade.

Na prática, representa duas coisa importantes:

resistência ao desgaste

resistência a deformação ( ou conformação)

Por esta razão, os materiais mais duros são usados na fabricação de

peças sujeitas a maiores esforços, atrito constante, etc., enquanto os materiais

mais dúcteis são usados em aplicações que necessitam de conformação

mecânica (laminação, dobramento, estampagem, etc.).

No ensaio de tração, percebemos que, quanto mais duro é o material,

maiores são os seus limites de escoamento e de ruptura, sendo a dureza

diretamente proporcional ao limite de resistência do material, de maneira que,

conhecido o valor de sua dureza pelo método Brinell (HB), podemos determinar

o limite de resistência do material.

Existem, na prática, vários padrões para medirmos a dureza do material

e entre os mais usados, incluem-se os métodos Brinell, Rockwell, Vickers e

Shore.

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Dentre as propriedades mecânicas, a mais importante é a resistência

mecânica. Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à

ação de determinados tipos de esforços, como a tração e a compressão

(resistência à tração e resistência à compressão). A resistência mecânica

relaciona-se às forças internas de atração existentes entre as partículas que

compõem o material. Quando as ligações covalentes unem um grande número

de átomos, como no caso do carbono, a dureza do material é grande.

Recursos para melhorarmos as propriedades mecânicas dos materiais:

Alterar composição química

Processos mecânicos de fabricação

Alteração do tamanho do grão

Tratamentos térmicos

Fatores que influem na seleção do material:

Vejamos os principais fatores que devem ser considerados na

seleção de um material industrial:

Condições de trabalho, podendo ser subdivididas em:

solicitações mecânicas

local de trabalho do material

Assim, uma peça que vai ser submetida a um esforço de tração, não poderá

ser feita de um material de pequena resistência à tração, como por exemplo de

ferro fundido comum. Na indústria de laticínios os materiais empregados são

resistentes à corrosão como por exemplo o aço inoxidável.

Disponibilidade de material: para se escolher um material ele

deve ser disponível em quantidade necessária e também quando desejado

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para reposição de peças. A escolha do material não deve ser feita apenas em

livros, mas sim nos catálogos de fabricantes.

Custo: por custo entendemos não só o material em bruto como

também o dos processos de fabricação, isto é, o custo total, isto porque um

material pode ter preço reduzido mais implicar em processo de fabricação

dispendioso.

Aparência: a aparência é importante quando o produto se destina

ao grande público. Assim uma peça de alumínio anodizado é agradável a vista

(tampos de panelas, etc.). Já para uma peça estrutural que está escondida, a

aparência não é tão importante.

É em virtude da aparência que se usa niquelados, cromados,

materiais plásticos coloridos, oxidados (armas, ferramentas), partes esmaltadas

(porcelanizadas), fundição sob pressão (zamak, plásticos).

Adaptabilidade para os processos de produção: certos

materiais se prestam melhor que outro para determinados processos de

fabricação incluindo ou não tratamentos térmicos, e assim dependendo do

equipamento que dispomos somos conduzidos a escolha de certos materiais

(sapatas de freio de chapas de aço estampadas e soldadas por pontos em

lugar de liga de alumínio fundida).

Forma da peça: em certos casos a forma da peça condiciona o

processo de fabricação e dessa maneira influi indiretamente na escolha do

material.

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É o caso de um bloco de motor, cujo processo normal de

fabricação é a fundição. Já grandes motores diesel possuem o bloco fabricado

a partir de chapas grossas e perfilados soldados.

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AULA 2

SIDERURGIA E METALURGIA

Normalmente os metais quando encontrados na natureza não estão

prontos para o uso, mas sim fazendo parte da composição de minerais

denominados minérios. Tomemos como exemplo o metal alumínio, na sua

utilização nos produtos comerciais ele se encontra na forma de substância

simples. É chamado de alumínio metálico e representado por Al. Essa

substância simples não é encontrada na natureza, mas sim se encontra esse

elemento combinado com outros, nas chamadas substâncias compostas. O

termo mineral relaciona toda substância natural presente na crosta terrestre. As

rochas são agregados naturais formados por um ou mais minerais. Assim

pode-se dizer que o elemento químico alumínio é encontrado em substâncias

compostas denominadas de minerais, que por sua vez estão presentes em

rochas. Na tabela 2.1 são dados os metais mais importantes e alguns de seus

minérios.

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Tabela 2.1 Metais e seus minérios

Metal Fórmula do minério Nome do minério

Ouro Au Ocorre não combinado

Platina Pt Ocorre não combinado

Mercúrio HgS

Hg

Cinábrio

Ocorre não combinado (raramente)

Prata Ag2S

Ag

Argentita

Corre também não combinada

Cobre Cu2S

CuS.FeS

Cu

Calcosita

Calcopirita

Ocorre também não combinado

Zinco ZnS Blenda ou esfalerita

Níquel FeS.NiS Pentlandita

Chumbo PbS Galena

Estanho SnO2 Cassiterita

Manganês MnO2 Pirolusita

Cromo FeO.Cr2O3 Cromita

Ferro Fe2O3

Fe3O4

FeCO3

Hematita

Magnetita

Siderita

Alumínio Al2O3 Bauxita

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Figura 2.1 A Hematita

Figura 2.2 A Siderita

História do ferro

A revolução industrial, iniciada na Grã-Bretanha no fim do século XVIII,

representou a transição da sociedade agrária e têxtil para a sociedade

industrial, que se baseava no carbono, como combustível, e no ferro, como

matéria-prima fundamental para a fabricação das máquinas. Conhecido desde

os tempos pré-históricos, o metal da nome a idade do ferro, período histórico

que sucedeu a idade do bronze. Pertencente ao grupo dos metais de transição,

o ferro é o quarto elemento químico em abundância na crosta terrestre. Na

natureza, apresenta-se principalmente combinado com o oxigênio em forma de

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óxidos como mostra a tabela 1.1.O minério de ferro, fundido, tem múltiplas

aplicações e grande utilidade industrial.

Quando puro, o ferro é um metal branco-cinzento brilhante. Caracteriza-

se pela grande ductibilidade, que permite transformá-lo em fios e arames, e

maleabilidade, que facilita a fabricação de folhas laminares. Entre suas

propriedades físicas destaca-se o magnetismo, que o torna um ótimo material

para fabricar ímãs. Quanto às propriedades químicas, o ferro é inalterável, em

temperatura normal, quando exposto ao ar seco. Submetido ao ar úmido, o

ferro metálico sofre oxidação e se transforma lentamente em ferrugem (óxido

de ferro), o que pode ser evitado se o ferro for revestido de metal mais

resistente à corrosão, como zinco (ferro galvanizado), estanho (folha-de-

flandres) ou cromo (ferro cromado). O ferro é atacado facilmente por ácidos.

As ligas do tipo ferro-carbono podem ser classificadas em quatro grupos

distintos: (1) aço doce, liga que contém menos de 0,06% de carbono e cuja

estrutura é essencialmente ferrosa; (2) aços, ligas com conteúdo de carbono

entre 0,06% e 2%, que se subdividem em aços ao carbono, aços-ligas e aços

especiais ou aços finos; (3) ferro fundido, liga que contém mais de dois por

cento de carbono, em geral de reduzida ductibilidade e maleabilidade, utilizada

na fabricação de peças moldadas e tubos. No aço, a dureza está na razão

direta da percentagem de carbono na liga.

.

Metalurgia

Metalurgia é o processo básico de obtenção dos metais na natureza.

Esse processo é dado através de uma seqüência que começa no solo (lavra)

passando pela moagem e purificação do minério e logo em seguida

dependendo do metal, sofrerá o processo de redução que normalmente se

dá dentro de alto fornos. Após a said do alto forno o metal é purificado

novamente para finalmente ser beneficiado obtendo assim o produto

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desejado. O princípio de obtenção do metal se baseia na redução de algum

elemento para que esse metal não oxide. Logo, ao se retirar o minério da

natureza, esse, se não passar pelo processo metalúrgico dependendo do

tipo de metal, sofrerá corrosão imediata não servindo assim para fins

industriais. A corrosão é portanto um processo natural que tende a oxidar os

metais; exatamente o oposto da metalurgia, que visa reduzi-los. Os diversos

metais conhecidos apresentam diferentes tendências para sofrer corrosão.

Exemplo:

Quanto maior a tendência de um metal de sofrer corrosão, maior a

dificuldade para obtê-lo a partir do minério, através de sua redução.

Após a obtenção do minério de ferro pelo processo de lavra, moagem e

purificação, ele é introduzido juntamente com outros materiais no alto forno,

local onde ocorrerá o processo de redução.

Figura 2.3 O processo de lavra

Figura 2.4 Moagem e purificação

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Alto forno

O alto forno é um aparelho de grandes proporções com uma altura que

pode chegar aos 25 metros e 9metros de diâmetro na sua base maior. Ele é

revestido internamente por uma parede de tijolos refratários de espessura de

0,5 metros. O volume interno é da ordem de 1000m3.

São basicamente três os ingredientes que são dispostos no alto forno:

O minério de ferro, isto é, a substância que contém o óxido de ferro.

O calcário (rocha à base de carbonato de cálcio) para remover impurezas.

O coque, que é o agente combustível e redutor. Coque é normalmente

produzido na própria siderúrgica, através da queima parcial do carvão mineral.

Isto é necessário para remover o material volátil do carvão e, assim, aumentar

sua resistência mecânica de forma a suportar a carga de minério e calcário.

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Figura 2.5 Alto Forno convencional

As reações químicas principais que ocorrem são:

Formação do monóxido de carbono a partir do carvão e do oxigênio

C(s) + O2 CO2(g)

CO2(g) + C(s) 2CO(g)

Formação do ferro a partir da hematita e do monóxido de carbono produzido anteriormente

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Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2 (g)

Número de oxidação do Fe2O3(s) : 3+ e 2-

Número de oxidação do CO(g) : 2+ e 2-

Número de oxidação do Fé: 0

Número de oxidação do CO2 (g): 4+ e 2-

Nessa reação o Fe reduziu ( diminui o nox) de 3+ para 0 e o CO oxidou

(aumentou o nox) de 2+ para 4+.

Formação da escória a partir do calcário e da sílica que acompanha o minério de ferro

CaCO3(s) CaO(s) + CO2 (g)

CaO(s) + SiO2(s) CaSiO(l)

Periodicamente são retirados do alto forno a escória e o gusa. O gusa é

uma liga Fé-C que contém entre 3,5% e 4,5% de carbono, é um material muito

duro mas ao mesmo tempo frágil. A escória constituída de silicato de cálcio, é

utilizada em pavimentação e na fabricação de cimento e adubo. O gusa não

pode ser utilizado comercialmente devido suas baixas qualidades como a

ductilidade ou a maleabilidade. Sendo assim é necessário obter um material

que possua além de dureza também outras propriedades importantes como

ductilidade, maleabilidade, tenacidade e flexibilidade. Para isso é preciso que o

gusa sofra uma drástica redução de carbono, essa diminuição é feita nos

conversores a oxigênio onde o gusa sofre uma reação com o oxigênio que

produz CO e CO2. Quando o produto contiver entre 0,005% e 2% de carbono

pode ser denominado de aço.

ganga escória

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Pela tabela 2.1 percebe-se porque alguns metais são mais fáceis de obter na

natureza e outros não.

Tabela 2.1 Potenciais de redução de alguns elementos

Elementos

Potencial

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Tabela 2.3 Principais países produtores de ferro

País Reservas de

minério de

ferro(KT/m3 )

Produção de ferro

e aço bruto

(KT/m3 )

EUA 23000 67656

China 53600 37160

Polônia 15 14142

Alemanha 387 35880

África do Sul 15370 8383

França 6200 18402

Brasil 81559 7680

Itália 2 24188

Peru 4403 274

Venezuela 7258 2206

O Brasil conta com pequenas reservas de carvão mineral nos estados de

São Paulo, Rio Grande do Sul e Santa Catarina. No entanto, esse carvão é

considerado de má qualidade para uso siderúrgico, devido a sua alta

porcentagem de cinzas e enxofre, que além de reduzir o poder calorífico do

carvão, também influi nas características do aço. Entretanto essa má qualidade

também é decorrência do fato de os alto-fornos brasileiros serem cópias dos

estrangeiros, construídos para utilização de carvão com características

diferentes. As grandes siderúrgicas brasileiras, como a CSN, USIMINAS E

COSIPA utilizam carvão mineral proveniente de Santa Catarina. Este carvão

possui um poder calorífico em torno de 500 Kcal/Kg ( 20900 KJ/Kg), enquanto

o carvão estrangeiro é da ordem de 8000 Kcal/Kg (33440 KJ/Kg). A produção

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de ferro gusa nas siderúrgicas é acompanhada a cada corrida, através de

boletins de produção. Nesses boletins são registrados as massas de matérias-

primas empregadas e as de produtos obtidos. A produção mundial atualmente

de carvão metalúrgico gira em torno de 2 bilhões de toneladas, sendo a China

o maior produtor, com um volume de 1,1 bilhão de toneladas por ano. A

Austrália, segundo maior produtor, com 400 milhões de toneladas, é o maior

exportador e também um dos principais fornecedores das siderúrgicas

brasileiras. O preço do carvão hoje, está em torno de US$ 125 a tonelada,

representando entre 40% e 50% do custo de produção de aço líquido.

Tabela 2.4 Boletim de produção

Carga do alto-

forno (T)

Ferro gusa (T) Escória (T)

Minério 66

Carvão 36,4

Calcário 3,2

40,0 12,4

O processamento do minério de ferro pode ser representado pela

equação global:

2Fe2O3(s) + 6C(s) + 3O2(g) 4Fe(s) + 6CO2 (g) + energia

2x160g 6x 12g 3x2x16g 4x 56g 6x 44g

320g de 72g de 96g de 224g de ferro 264g de dióxido

óxido carbono oxigênio de carbono

de ferro III

320 g de ferro III produzem 224 g de ferro

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Pela tabela 2.4 sabe-se que a partir de 66T de minério de ferro são

obtidas 40T de ferro gusa. A quantidade de ferro gusa prevista é bem diferente

da real. Pela equação química anterior temos:

320g de Fe2O3(s) produzem 224g de Fe

66x106 g de Fe2O3(s) devem produzir xg de Fe

x = 66x106 g / 320 = 46,2 x106 g = 46,2 T de Fe

Como a quantidade real obtida foi de 40 T, o rendimento do processo

será

46,2 T ----- 100%

40 T ------ rendimento

rendimento = 40/ 46,2 x100 = 86%

ou seja, o rendimento de um processo é dado pela expressão

rendimento = massa de produto obtida / massa de produto esperada x 100

No caso do minério de ferro brasileiro, o grau de pureza da hematita é

cerca de 86,57%. Isso significa que em cada 100 partes da massa de qualquer

amostra desse minério, 86,57 partes são constituídas por óxido de ferro III. As

13,43 partes restantes correspondem à ganga. Considerando os dados do

boletim de produção, quando se carrega o alto forno com 66 T de minério,

apenas 57,14 vão se transformar em ferro, as 8,86 T restantes darão origem à

escória. Isto é confirmado pelo seguinte cálculo

100 T do minério correspondem 86,57 T de hematita

66 T do minério ---------------- x ( quantidade real de hematita)

Retornando-se a Eq. global da produção de ferro

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2Fe2O3(s) + 6C(s) + 3O2(g) 4Fe(s) + 6CO2 (g)

Pode-se calcular qual a massa de ferro produzida quando se usa 66 T de

minério cuja pureza é de 86,57% de minério de ferro.

320x 106 T produzem 224 x106 T

57,14 T --------------- x

x = 39,99 T de ferro ( aproximadamente 40T ), exatamente como mostra o

boletim de produção.

Combustíveis

É a partir da combustão que o homem tem obtido a maior parte da

energia que ele necessita. Para isso, é necessário um dos elementos principais

para obter essa energia, isto é, o combustível. Álcool, gasolina, óleo diesel,

lenha, carvão mineral, gás liquefeito de petróleo e querosene são exemplos de

combustíveis atualmente utilizados em diferentes setores da atividade humana.

Considera-se combustão como sendo a transformação química que envolve a

queima de um material combustível em presença de um comburente

(geralmente o oxigênio), sendo frequentemente utilizados com o objetivo de

obter energia na forma de calor. No entanto, a produção de calor, embora

necessária, não é condição suficiente para que um material seja considerado

um bom combustível. Além da capacidade de liberar calor, o combustível deve

apresentar também certas características que garantam um bom desempenho

durante a sua queima. Uma dessas características é a volatilidade ou

facilidade de evaporação. O álcool e a gasolina, por apresentarem essa

facilidade são utilizados em motores de explosão. É devido a maior volatilidade

da gasolina que, nos carros movidos às custas desse combustível, a partida é

mais rápida do que nos carros movidos a álcool. Um outro aspecto a ser

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considerado na avaliação de um combustível, refere-se a sua inflamabilidade .

Todo combustível tem uma temperatura de inflamação determinada,

temperatura em que a evaporação se dá em proporção suficiente para o

combustível inflamar-se e manter a queima contínua. Essa temperatura é

alcançada através do fornecimento de uma “energia inicial” que o aquece,

elevando sua temperatura até a temperatura de inflamação. Desse modo, a

combustão se inicia de modo endotérmico e prossegue desenvolvendo calor.

Um dos aspectos a considerar na escolha de um combustível é a sua

eficiência, avaliada em relação à quantidade de calor que é capaz de produzir.

A quantidade de calor liberada por unidade de massa (ou de volume) do

material combustível é indicada como seu poder calorífico, que é expresso em

Kcal/Kg ou KJ/Kg.

Tabela 2.5 Poder calorífico de alguns combustíveis

Combustível Poder calorífico

em KJ/Kg e em

Kcal/Kg

GLP 49030 11730

Gasolina isenta de álcool 46900 11220

Gasolina com 20% de

álcool

40546 9700

Querosene 45144 10800

Óleo Diesel 44851 10730

Carvão metalúrgico

nacional

28424 6800

Gás canalizado 17974 4300

Lenha 10550 2524

Etanol 29636 7090

Álcool combustível 27200 6507

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Metanol 22200 5311

Metano 53922 12900

Propano 49951 11950

Butano 49324 11800

Acetileno 40964 9800

Hidrogênio 120802 28900

Carvão mineral

O carvão mineral é uma mistura de compostos ricos em carbono e ocorre

na crosta terrestre, resultante da fossilização da madeira. A madeira é formada

por carbono, oxigênio e hidrogênio, na fossilização, o hidrogênio e o oxigênio

são eliminados na forma de gás carbônico, metano e água. Assim, o resíduo

carvão mineral vai se enriquecendo e se transformando em carbono ao passar

do tempo. A hulha é uma variedade de carvão mineral que apresenta,

aproximadamente, 80% de carbono que quando aquecida entre 1000 e

1300ºC, na presença de corrente de ar obtém-se três tipos de frações:

Fração gasosa:

Obtenção de combustíveis domésticos e muito utilizada antigamente na

iluminação de ruas (lampião a gás).

Fração líquida:

Aqui é obtido o benzeno, tolueno, xileno, naftaleno, etc.

Fração sólida:

Fase em que se obtém o carvão coque utilizado na obtenção do aço.

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Produtos siderúrgicos

AS LIGAS FERRO-CARBONO

São as que apresentam em sua composição os elementos normais (

carbono, silício, manganês, enxofre, e fósforo).

AS LIGAS FERRO-CARBONO ESPECIAIS

São as que apresentam em sua composição elementos diferentes dos

comumente apresentados nas ligas comuns. Para estudarmos a classificação

das ligas de ferro carbono comuns devemos considerar os seguintes aspectos:

O aumento do teor de carbono baixa o ponto de fusão da liga ferro-carbono.

As lidas de ferro-carbono que contém carbono na porcentagem compreendida entre 0,005 e 1,7% são maleáveis e tem o nome de aço.

As ligas especiais apresentam essa propriedade com teores de carbono até 2%.

A partir de 2% o produto perde sua maleabilidade e recebe o nome de não maleável.

O produto não maleável pode tornar-se maleável se retirarmos o excesso de carbono do mesmo. O material resultante é denominado maleabilizado.

Resumidamente temos de acordo com o teor de carbono:

O ferro gusa é um produto bruto. As suas propriedades não permitem o

emprego industrial direto, o gusa é duro, frágil, não maleável, porém fundível,

contendo sempre doses de substâncias estranhas como o silício, fósforo,

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enxofre, manganês, etc. Ao quebrarmos um lingote de gusa a fratura pode se

apresentar branca (prateada) ou cinza. Quando há predominância de cementita

(Fe3C) o gusa é chamado branco, sendo duro, frágil, ponto de fusão entre 1100

e 1300ºC e quando há predominância de grafita a fratura é cinza escuro e o

gusa é cinzento. É menos duro que o gusa branco, ponto de fusão entre 1200 e

1250ºC.

A formação da grafita é favorecida pelo silício, isto é, o gusa cinzento

contém sempre um certo teor de silício, enquanto o manganês tem o efeito de

favorecer a formação da cementita. A eliminação completa do fósforo e

enxofre, substâncias nocivas, é praticamente impossível; o teor máximo

admissível no gusa para o mesmo servir à fundição é de 0,15% de enxofre e de

1,0% de fósforo.

Ferro fundido

O ferro fundido é o produto da refusão do gusa, levada a efeito para

torná-lo mais homogêneo, acertando ao mesmo tempo a sua composição para

aplicações determinadas. É um produto muito usado na indústria por possuir:

Baixo custo.

Boa capacidade de absorver vibrações.

Boa capacidade de resistir à fadiga e concentrações de tensões.

Alta resistência á compressão e ao desgaste.

Boas características no que se refere à fundição possibilitando a obtenção de peças. De formatos bastante complexos.

Quanto a sua constituição o ferro fundido pode ser branco, cinzento,

nodular e maleável. A composição química de um ferro fundido é geralmente a

seguinte:

Carbono total: 3 a 4,5%

Silício: 1 a 2%

Manganês: até 0,7%

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Enxofre: até 0,1%

Fósforo: 0,6% a 0,8%

O carbono total é a soma do carbono combinado na cementita e do

carbono grafítico. O ferro fundido cinzento possui uma dureza reduzida e em

vista da grafita pode ser usinado com facilidade. A usinagem geralmente é feita

a seco. O ferro fundido branco é duro e não usinável. Contém 2 a 4% de

carbono, sob a forma combinada. Ele é principalmente usado para a fabricação

do ferro maleável e para a moldagem de um número limitado de peças em que

se deseja como características principais uma extrema dureza e alta

resistência ao desgaste.

O ferro fundido nodular é obtido pelo acréscimo de pequenas quantidades de

magnésio ou césio (meio quilo por tonelada aproximadamente) aqui a grafita

aparece sob a forma de nódulos ou esferas e se distribui mais uniformemente

por todo o material, dando uma material muito resistente e altamente dúctil. No

caso dele possuir níquel (até 3,5%) ele se torna altamente resistente à

corrosão(inoxidável). Características do ferro nodular:

Alta tenacidade

Alta fluidez

Excelente resistência ao desgaste

Excelente soldabilidade

Maior usinabilidade que o ferro fundido cinzento

Temperável

Sistema de classificação

O sistema de classificação dos aços varia de acordo com o tipo de ferro

fundido em função das suas faixas de composição química, de acordo com a

tabela 2.6

Tabela 2.6

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Tipo C Si Mn P S

Cinzento 2,5 – 4,0 % 1,0 – 3,0 % 0,2 – 1,0 % 0,002 – 1,0 % 0,02 – 0,25 %

Dúctil 3,0 – 4,0 % 1,8 – 2,8 % 0,1 – 1,0 % 0,01 – 0,1 % 0,01 – 0,03 %

Branco 1,8 – 3,6 % 0,5 – 1,9 % 0,25 – 0,8 % 0,06 – 0,2 % 0,06 – 0,2 %

Maleável 2,2 – 2,9% 0,9 – 1,9 % 0,15 – 1,2 % 0,02 – 0,2 % 0,02 – 0,2%

Aplicações

Ferro fundido cinzento

Este material é frágil e quebradiço devido a sua microestrutura, não

servindo muito bem a aplicações que requeiram elevada resistência à tração.

Sua resistência e ductilidade são maiores sob compressão, além de terem

excelentes capacidades de amortecimento de vibrações e elevada resistência

ao desgaste mecânico. São aplicados como componente estrutural de

máquinas e equipamentos pesados sujeitos à vibração, peças fundidas de

vários tipos que não necessitam de elevada resistência mecânica, pequenos

blocos cilíndricos, pistões, cilindros, discos de embreagem e peças fundidas de

motores a diesel.

Ferro fundido dúctil

Sua estrutura nodular confere maiores resistência mecânica e ductilidade

ao material, aproximando suas características das do aço. Suas aplicações

incluem válvulas carcaça de bombas, virabrequins, engrenagens, pinhões,

cilindros e outros componentes de máquinas e automóveis.

Ferro fundido branco

Extremamente duro e frágil, chegando a ser inadequado para a usinagem

em alguns momentos. Sua aplicação é restrita aos casos em que dureza

elevada e resistência ao desgaste são necessárias, como nos cilindros de

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30

laminação. O ferro fundido branco, geralmente, é utilizado como um processo

intermediário na produção do ferro fundido maleável.

Ferro fundido maleável

Produto da transformação do ferro fundido branco após tratamento

térmico em temperatura e atmosfera adequada. Apresenta características de

elevada resistência mecânica e consideráveis ductilidade e maleabilidade. É

aplicável tanto em temperaturas normais quanto mais elevadas. Flanges,

conexões para tubos, peças para válvulas ferroviárias e navais, e outras peças

para indústria pesada são algumas das aplicações típicas do ferro fundido

maleável

Estrutura Cristalina

Os metais quando solidificam eles cristalizam, ou seja, os seus átomos

que no estado líquido, estavam se movimentando mais livremente e sem

nenhuma organização, agora estão localizados em posições relativamente

definidas e ordenadas, que se repetem em três dimensões, formando uma

figura geométrica que é o cristal. Existem sete sistemas cristalinos: triclínico,

monoclínico, ortorômbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cúbico. De acordo

com a disposição dos átomos, originam-se desses sistemas 14 possíveis

distribuições de acordo com o tipo de metal e suas respectivas temperaturas e

pressão. Essas distribuições dos átomos é chamada de reticulados ou redes.

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31

Tabela 2.7 Raios atômicos e estruturas cristalinas para alguns metais

Metal Estrutura

cristalina

Raio

atômico

(nm)

Metal Estrutura

critalina

Raio

atômico

(nm)

Alumínio CFC 0,1431 Molibdênio CCC 0,1363

Cádmio HC 0,1490 Níquel CFC 0,1246

Cromo CCC 0,1249 Platina CFC 0,1387

Cobalto HC 0,1253 Prata CFC 0,1445

Cobre CFC 0,1278 Titânio HC 0,1445

Ouro CFC 0,1442 Tungstênio CCC 0,1371

Ferro CCC 0,1241 Zinco HC 0,1332

Chumbo CFC 0,1750

CÉLULAS UNITÁRIAS

As células unitárias são pequenos volumes que representam a disposição

geométrica dos átomos, como o modelo atômico é repetido indefinidamente,

torna-se conveniente subdividir a rede cristalina em células unitárias. A

distância repetida chamada de parâmetro cristalino, dita o tamanho de uma

célula unitária, é também a dimensão da aresta da célula unitária.

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Figura 2.7 Parâmetro cristalino (Pc)

Exemplo 1:

A célula unitária do cromo é cúbica e contém dois átomos. Determine o

parâmetro cristalino para o cromo.

SOLUÇÃO

Consultando a tabela periódica obtemos a massa atômica do Cr = 52 U e a

massa molar = 52g. a densidade do cromo é: 7,20g/cm3.

A massa por célula unitária é = 2 . 52g / 6,02 x1023 = 172,76x10-24 g

Mas, Densidade = massa / volume

Volume = massa / densidade = 172,76 x10-24 g / 7,20x106 g/m3 = 23,994

x10-30 m3

Volume do cubo = aresta3

Então a aresta ou o parâmetro cristalino = 0,2884 x10-9 m ou 0,2884 nm

Um conjunto de células unitárias forma o cristal com contornos geométricos,

onde ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento passa a

chamar-se grão.

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33

Figura 2.8 Estrutura cristalina granular

Cada grão é constituído de milhares de células unitárias, estas por sua

vez, consistem em grupos de átomos dispostos em posições fixas, formando

figuras geométricas como foi indicado na figura 2.8.

ALOTROPIA

Alotropia ou polimorfismo é a propriedade de certos metais, apresentam

reticulados cristalinos diferentes, conforme a variação da temperatura. Como

exemplo temos o ferro que no estado sólido e temperatura ambiente apresenta

uma grade cúbica centrada no espaço, essa denominação é chamada de cubo

de corpo centrado.

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34

Figura 2.9 Cubo de corpo centrado

Aquecendo-se o ferro a 910ºC os átomos mudam de posição e o conjunto se

modifica e a grade anterior se transforma em grade cúbica de face centrada.

Figura 2.10 Cubo de face centrada

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Continuando o aquecimento até 1390ºC, o cubo de face centrada

transforma-se novamente em cubo de corpo centrado. Podemos resumir essas

transformações de acordo com a tabela 2.8

Tabela 2.8 Transformações alotrópicas do ferro

Modificação Estrutura

cristalina

Faixa de

estabilidade(ºC)

Alfa CCC Até 910

Gama CFC 910-1390

Delta CCC 1390-1535

RETICULADOS CÚBICOS

Numa rede cristalina de cubos de corpo centrado, cada átomo dos

vértices é repartido com os sete outros vértices dos cubos vizinhos, possuindo

cada vértice somente 1/8 de átomo, ou seja, 8. 1/8 + 1(átomo do centro) = 2

átomos por célula unitária.

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36

Figura 2.11 2 átomos por célula unitária

Já na rede de cubos de faces centradas, cada cristal possui 1/8 de átomo

em cada vértice e meio átomo no centro de cada face. Os átomos das faces

são repartidos com as faces adjacentes. 8.1/8 + 6.1/2 = 4 átomos.

Figura 2.12 4 átomos por célula unitária

Exemplo 2

Calcule o volume de uma célula unitária CFC em termos do raio atômico R

SOLUÇÃO

De acordo com a figura 2.12 a partir do triângulo reto na face, temos

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37

VC = a3 = (2R 2 )3 = 16R32

No caso para uma célula unitária CCC temos a seguinte relação da aresta em

função do raio atômico:

a = 4R/ 3

CÁLCULO DE MASSA ESPECÍFICA

Um conhecimento da estrutura cristalina de um sólido metálico permite o

cálculo de sua massa específica teórica através da relação

ρ = AcNV

nA

onde

n = número de átomos associados a cada célula unitária

A = peso atômico

Vc = volume da célula unitária

NA = número de avogrado ( 6,023 x 1023 átomos/mol)

22

2

4

2

)4(

2

)4(

)4(2

)4(

2

22

22

222

Ra

Ra

Ra

Ra

Ra

Raa

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Exemplo 3

O cobre possui um raio atômico de 0,128nm, uma estrutura cristalina CFC e

um peso atômico de 63,5g/mol. Calcule a sua massa específica teórica e

compare a resposta com a sua massa específica medida.

SOLUÇÃO

ρ=AcNV

nA=

ANR

nA

)216( 3= =

=)/10023,6](/)1028,1(216[

)/5,63)(/4(2338 molátomosxáriacélulaunitcmx

molgáriacélulaunitátomos

= 8,89g/cm3

O valor encontrado na literatura para a massa específica do cobre é de

8,94/cm3, o que está em excelente aproximação com o resultado anterior.

FATOR DE EMPACOTAMENTO ATÔMICO (FEA)

O FEA é a soma dos volumes das esferas de todos os átomos no interior

de uma célula unitária dividida pelo volume da célula unitária, ou seja:

FEA = volume dos átomos em uma célula unitária / volume total da célula

unitária

Tipicamente, os metais possuem fatores de empacotamento atômico

relativamente elevados comparados a outros materiais.

Exemplo 4

Demonstre que o fator de empacotamento atômico para a estrutura cristalina

CFC é de 0,74.

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39

SOLUÇÃO

O volume de uma esfera é 3

3

4R , e uma vez que existem quatro átomos por

célula unitária CFC, o volume total dos átomos (ou esferas) é

4 3

3

4R = 3

3

16R e de acordo com o exemplo 2, o volume total da célula unitária

é 16R32 , portanto, o fator de empacotamento atômico é

FEA = 216

)3

16(

3

3

R

R

= 0,74

DEFEITOS DOS CRISTAIS

Os defeitos nos cristais podem ser causados pela sua arrumação durante

o seu crescimento, por vibração, vazios ou lacunas etc. Consideremos até

nesse momento a rede cristalina como um empilhamento perfeitamente

simétrico, mas, na realidade, os metais não são perfeitos. Do ponto de vista

geométrico podemos classificar os defeitos das redes cristalinas em

Defeitos de ponto

Defeitos de linha

Defeitos de superfícies

Os defeitos pontuais podem ser

Lacunas pontuais: é a mais simples, normalmente ocorre quando falta

um átomo no reticulado normal.

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40

Figura 2.13 Lacuna

Átomos intersticiais: um átomo é preso numa posição intermediária dentro do reticulado cristalino.

Figura 2.14 Átomos intersticiais

Defeito de linha é a discordância, que é o acúmulo de vários átomos numa

mesma linha com o mesmo tipo de defeito. Já os defeitos de superfícies

aparecem geralmente nos contornos dos grãos ou junções dos cristais.

DEFEITOS DURANTE A SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS

-Bolhas: vazios oriundos de gases dissolvidos no líquido e que ficaram

retidos no lingote fundido. Para se evitar as bolhas utilizam-se, desoxidantes.

Ex: Fe-Si, Fe-Mn, que evitam a formação de CO ou CO2, pois se combinam

com o O2.

-Trincas: são ocasionadas pelas tensões excessivas que se desenvolvem

durante o resfriamento ou ainda devido ao formato desigual das peças,

impedindo o resfriamento uniforme.

-Segregação: ao solidificar um metal, as impurezas como: fósforo e

enxofre, não são tão solúveis no estado sólido como no líquido, portanto são

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repelidas para o líquido quando a solidificação se propaga. A solidificação

cominha da periferia para o centro, portanto é no centro que as impurezas se

acumulam, esse fenômeno é denominado segregação.

-Rechupe: a solidificação de um metal se inicia pelas partes que estão em

contato com as paredes do molde ou na parte superior, onde o metal está

exposto ao ar. O metal ao passar do estado líquido para o sólido diminui seu

volume, portanto aparecerá uma região central no lingote ou peça que se

chama rechupe.

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS

A deformação plástica acarreta uma mudança de lugar permanente dos

átomos da rede cristalina. Com a interrupção das tensões, os átomos da rede

cristalina não retornam as suas distâncias interatômicas normais, ou seja, não

voltam as suas posições de origem. Dois mecanismos estruturais básicos

podem estar presentes no cristal durante o processo de deformação plástica:

escorregamento e maclação.

No escorregamento uma parte do cristal move-se em relação a outra

parte, segundo determinados planos e direções. Na maclação uma parte do

cristal inclina-se em relação a outra parte a partir de um plano limite das duas

partes. O principal mecanismo de deformação plástica, contudo, é o de

escorregamento provocado pela movimentação de discordâncias.

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42

Figura 2.15 Escorregamento e maclação

A presença de contornos de grão interfere no comportamento dos

metais quando sujeitos a deformação. Assim sendo nos metais policristalinos,

como ocorre geralmente, o tamanho de grão é um dos fatores importantes a

considerar na sua deformação plástica, assim como nas suas propriedades

mecânicas. A deformação quando aplicada nos metais policristalinos, ocorre no

interior dos grãos. Ao passar de um grão para outro, a orientação

cristalográfica muda bruscamente.os grãos que estão orientados em relação a

direção do esforço aplicado, deformam-se em primeiro lugar, em seguida

deformam-se os grãos menos favoravelmente orientados. A deformação em

geral não se dá através dos contornos dos grãos, pode-se dizer assim que

esses contornos constituem uma região de maior resistência mecânica. Dessa

forma podemos concluir que a medida que diminui o tamanho de grão,

aumenta a resistência à deformação mecânica.

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43

DEFORMAÇÃO A FRIO E DEFORMAÇÃO A QUENTE

Costuma-se distinguir o trabalho mecânico a frio do trabalho mecânico a

quente, por uma temperatura indicada como temperatura de recristalização,

que é característica de cada metal e definida como “a menor temperatura na

qual uma estrutura deformada de um metal trabalhado a frio é restaurada ou é

substituída por uma estrutura nova, livre de tensões, após a permanência

nessa temperatura por um tempo determinado”. O trabalho mecânico a frio ao

causar uma deformação plástica abaixo da temperatura de recristalização

provoca o chamado encruamento cujos efeitos são traduzidos por uma

deformação da estrutura cristalina e modificação das propriedades mecânicas

do material, efeitos esses tanto mais intensos, quanto maior a intensidade do

esforço mecânico a frio. O material encruado também sofre uma diminuição da

condutibilidade elétrica ficando num estado de elevadas tensões internas

devido ao aumento do número de discordâncias. Um metal no estado normal (

recozido) contém cerca de 106 a 108 discordâncias por centímetro quadrado,

enquanto que um metal severamente encruado contém cerca de 1012

discordâncias por centímetro quadrado.

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Tabela 2.8 Efeito do encruamento de alguns metais e ligas

As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio

podem ser recuperadas ou devolvidas ao estado anterior ao encruamento

mediante um tratamento térmico de recristalização ou recozimento. O principal

efeito da recuperação é o alívio das tensões internas, restaurando-se ao

mesmo tempo certos característicos físicos alterados, como a condutibilidade

elétrica que aumenta rapidamente.

Tabela 2.9 Temperatura de recristalização de alguns metais

Metal Temperatura de recristalização (ºC)

Temperatura de fusão (ºC)

Alumínio 150 660 Magnésio 200 650

Prata 200 960 Ouro 200 1063 Cobre 200 1083 Ferro 450 1536

Platina 450 1769 Níquel 600 1450

Molibdênio 900 2610 Tungstênio 1200 3410

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Polimorfismo Dois cristais são polimorfos quando possuem estruturas cristalinas

diferentes, mas a mesma composição.

Materiais não cristalinos (amorfos) São aqueles nos quais os átomos não se repetem num arranjo em largas

distâncias. Exemplos:

Vidro Gases

QUESTÕES DO CAPÍTULO

1) O que é metalurgia?

2) O que é corrosão?

3) Quem apresenta no estado natural, maior tendência a sofrer oxidação,

o alumínio ou o ferro? Explique

4) Quais são as etapas de obtenção do ferro?

5) O que é Fe2O3 ?

6) Qual a finalidade do carvão no alto forno?

7) O que é fazer reduzir um elemento químico?

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8) Quais são as principais impurezas que compõem o ferro gusa?

9) Qual a característica principal do ferro gusa?

10) O que é aço?

11) Quais as principais propriedades mecânicas que o aço deve possuir?

12) O que é ferro alfa?

13) O que é ferro gama?

14) O que é CCC e qual a sua faixa de estabilidade para o ferro puro?

15) A célula unitária do Fe é cúbica e contém 4 átomos. Determine o

parâmetro cristalino do Fe em metros.

16) Qual a diferença do ferro fundido branco para o cinzento?

17) Quais são as reações que ocorrem no alto forno?

18) O que é encruamento?

19) Cite três defeitos dos cristais

20) O que é um material maleabilizado?

21) Quais são as vantagens do ferro fundido?

22) Cite quatro tipos de reticulados cristalinos

23) O que é alotropia?

24) O que é escorregamento e maclação?

25) Um material metálico passou por um processo de conformação a frio e

sofreu encruamento, como podemos melhorar a sua estrutura?

26) É possível prever quanto minério será necessário para obter 20

toneladas de ferro?

27) Quanto de carvão é consumido quando 30Tde ferro são produzidas?

28) Quanto de calcário a usina emprega quando retira 10T de escória?

29) Utilizando a tabela periódica, procurar as massas atômicas dos

elementos que constituem as seguintes substâncias e calcule as

massas molares de cada uma delas:

a) óxido de ferro II FeO

b) dióxido de carbono; CO2

c) carbonato de cálcio; CaCO3

d) gás oxigênio; O2

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30) Quantos gramas de ferro podem ser obtidos a partir da transformação

de 160Kg de óxido de ferro III?

31) Quantos gramas de óxido de ferro III são necessários para interagir

com 216Kg de carvão?

32) Queimando-se 40g de carvão, produziu-se 131g de dióxido de

carbono. Qual o rendimento desse processo?

33) Qual a massa de ferro que se forma ao se carregar o alto-forno com

hematita de pureza 89,9%? Considere o rendimento do processo como

100%.

34) Qual a massa de ferro contida em 32T de hematita de pureza 90%?

35) Um litro de álcool combustível tem massa de 0,79Kg. Qual os eu poder

calorífico em Kcal/L?

36) Se um litro de gasolina pesa 0,745Kg, qual o seu poder calorífico em

Kcal/L?

37) O tanque de um carro tem 60L de capacidade. Quantos litros de álcool

devem ser queimados para liberar a mesma quantidade de calor que

60L de gasolina?

38) Se o raio atômico do chumbo vale 0,175nm, calcule o volume de sua

célula unitária em metros cúbicos.

39) Mostre que para uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado o

comprimento da aresta da célula unitária a e o raio atômico R estão

relacionados pela expressão a = 4R/ 3

40) O molibdênio possui uma estrutura cristalina CCC, um raio atômico de

0,1363nm e um peso atômico de 95,94g/mol. Calcule e compare a sua

massa específica teórica com o valor experimental.

41) O nióbio possui um raio atômico de 0,1430nm e uma massa

específica de 8,57g/cm3. Determine se ele possui uma estrutura

cristalina CFC ou CCC.

42) Mostre que o fator de empacotamento atômico para a estrutura

cristalina CCC vale 0,68.

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AULA 3

AÇO

Aço: liga Fe-C contendo geralmente de 0,008 até cerca de 2% de C (carbono),

além de certos elementos residuais do processo, sendo um material tenaz, de

excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.

Principais influências do carbono nas propriedade do aço:

Aumento da dureza

Aumenta o limite de resistência e limite de escoamento

Redução da ductilidade

Diminui a tenacidade

Diminuição do alongamento

Aumenta a temperabilidade (formação da martensita)

Dificulta a soldagem (endurecimento e trincas na solda e na

ZAT – zona afetada termicamentre)

AÇOS- CARBONO

São os aços resultantes de uma combinação química de ferro e carbono,

nas quais o teor de carbono varia entre 0,05 a 1,7%. Comumente tais aços

contém além do Fe e C, outros elementos como o manganês, silício, enxofre e

o fósforo que entram na composição em porcentagens pequenas e que são

considerados impurezas. Porém se o teor de manganês for superior a 1,65%

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ou o do silício acima de 0,60%, 0s aços serão classificados entre os de liga. As

propriedades mecânicas dos aços- carbono variam quase que exclusivamente

em função do teor de carbono existentes nas respectivas composições, pois,

quanto maior o teor deste, o aço se torna mais duro e resistente à tração,

enquanto que diminui em tenacidade, alongamento e maleabilidade.

EFEITOS DOS ELEMENTOS COMPONENTES

Ferro (Fe): é o elemento básico da liga.

Carbono ( C): elemento determinativo dos aços-carbono.

Manganês ( Mn): é adicionado ao aço no curso de sua

produção siderúrgica, como elemento desoxidante e

dessulfurizante, e a maior parte dele é removida em forma de

escória, permanecendo na composição final um teor inferior a

1,65%.

Silício (Si): todos os aços-carbono contém silício em

proporção que varia de 0,05 a 0,30%, a qual constitui uma

impureza normal, não exercendo grandes influências nas

propriedades dos aços.

Enxofre (S): é tolerado nos aços um teor mínimo de

0,055% nos aços denominados de “corte livre”, em que esse

elemento é adicionado até 0,35% para melhorar a usinabilidade

dos mesmos.

Fósforo (P): quando o teor ultrapassar certos limites, esse

elemento passa a constituir um dos componentes mais nocivos

para os aços, uma vez que os tornam frágeis e quebradiços.

CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS-CARBONO

Comumente os aços–carbono são classificados, segundo o teor de

carbono como indica a tabela 1.1

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Tabela1.1 Classificação dos aços-carbono

Carbono (%) Denominação

Até 0,15 Extra doce 0,15 a 0,30 Doce 0,30 a 0,40 Meio doce 0,40 a 0,60 Meio duro 0,60 a 0,70 Duro 0,70 a 1,20 Extra duro 1,20 a 1,70 Emprego especial

Os aços-carbono com teor de carbono superior a 0,30% adquirem

têmpera e até 0,30% podem ser endurecidos superficialmente através de um

tratamento especial denominado cementação. Com até 0,30% de carbono eles

são encontrados comercialmente em forma de chapas, fios, vergalhões,

perfilados e tubos. Com mais de 0,30% de carbono os aços são fornecidos em

forma de barras ( circulares, sextavadas, quadradas, retangulares).

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AÇOS-LIGA

Os Aços-liga contém quantidades específicas de elementos de liga

diferentes daqueles normalmente utilizados nos aços comuns. Estas

quantidades são determinadas com o objetivo de promover mudanças nas

propriedades físicas e mecânicas que permitam ao material desempenhar

funções específicas. Os aços-liga costumam ser designados de acordo com

o(s) seu(s) elemento(s) predominante(s), como por exemplo, aço-níquel, aço-

cromo e aço-cromo-vanádio.

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EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA

Níquel: Aumentam a resistência ao desgaste, o limite de elasticidade, a

dureza e a tenacidade. Adicionado juntamente com o cromo fica

conhecido como aços inoxidáveis.

Cromo: Aumentam o limite de elasticidade, dureza, a resistência ao

desgaste e melhora a propriedade de têmpera em água ou óleo sem

muita deformação. É classificado entre os aços inoxidáveis com teor

superior a 10%.

Manganês: Só é considerado elemento de liga quando sua porcentagem

for superior a 1,65%. Adicionado em pequenas quantidades aumenta a

dureza, a resistência ao desgaste e a resistência a tração.

Molibdênio: Depois do carbono esse elemento é o que exerce maior

influência na dureza do aço. Aumenta a profundidade de têmpera,

aumentando também a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis.

Tungstênio: Aumenta a dureza do aço e sua resistência ao calor, assim

como a tensão de ruptura e o limite de escoamento.

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Cobalto: Entra na composição dos aços para as ferramentas de corte e

na fabricação de imãs permanentes. Pequenas proporções são

adicionados aos aços especiais para as ferramentas, que lhes

proporcionam maior dureza, no entanto, em grandes porcentagens

tornam os aços menos resistentes ao impacto.

Silício: Todas as categorias de aços contém algumas porcentagens de

silício e em sua maioria entre 0,10 a 0,35%. Ele desoxida os aços e com

um teor de até 1,75% aumentam o limite de elasticidade e a resistência

ao impacto.

Vanádio: Tem a propriedade de aumentar a resistência a tração sem

diminuir a ductilidade. Com maiores porcentagens, emprega-se na

fabricação de aços rápidos.

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AULA 4

TRATAMENTO TÉRMICO DOS AÇOS

Denomina-se de tratamento térmico a qualquer operação que envolva um

aquecimento do material até certa temperatura, seguido de um resfriamento

adequado, visando a mudança da estrutura do aço, bem como suas

propriedades em geral. De acordo com o objetivo do tratamento e do resultado

que se queira obter, os aços devem ser aquecidos até as respectivas

temperaturas preestabelecidas e também, serem resfriados de maneira

apropriada.

Definições:

Austenita: é a solução sólida do carbono em ferro gama.

Ferrita: é a solução sólida do carbono em ferro alfa.

Cementita: o carboneto de ferro (Fe3C).

Grafita: a variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal).

Perlita: ferrita + cementita

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AQUECIMENTO DO AÇO

O que acontece com o aço ao ser aquecido?

No caso de aço não ligado que contém 0,4% de carbono:

- em temperatura de 300°C a estrutura do aço ao carbono é igual a sua

estrutura na temperatura ambiente: ferrita (cor branca) e perlita (cor preta);

- em temperatura de 723°C inicia-se uma transformação em sua estrutura: a

ferrita transforma-se em austenita e a cementita da perlita se decompõe;

- em temperatura de 800°C toda a estrutura do aço transforma-se em austenita.

O gráfico anterior ilustra uma região de mudança de fase em intervalo de

temperatura: A ferrita e a perlita transformam-se em austenita. Essa região é

chamada zona crítica: área em que as células unitárias do ferro CCC se

transformam em CFC, durante o aquecimento do aço.

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A austenita forma-se no aço a partir de 723° C. Encontra-se na região acima da

zona crítica, na zona de austenitização, conforme se pode observar no gráfico.

A austenita tem uma estrutura cúbica da face centrada (CFC), apresentando

menor resistência mecânica e boa tenacidade. Não é magnética.

Os cristais de ferro puro observados ao microscópio formam uma

estrutura denominada ferrita. A ferrita é ferro alfa, ou seja, ferro puro que pode

conter em solução, pequenas quantidades de Si-P e outras impurezas.

Cristaliza no sistema cubo de corpo centrado, tem uma resistência aproximada

de 28 Kg/mm2, 35% de alongamento e uma dureza de 90 Brinell.

É o mais mole de todos os constituintes, muito dúctil, maleável e magnético. O

teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas do

aço. Quanto maior, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços

com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido

à maior quantidade de cementita, uma substância bastante dura mas

quebradiça. A cementita deposita-se em forma de finas lamelas entre os

cristais de ferro formando outra estrutura regular denominada de perlita. A

perlita aparece geralmente por esfriamento lento da austenita, tem uma

resistência de 80Kg/mm e um alongamento de 15%. Ao microscópio, a perlita

apresenta-se como um desenho parecido com uma impressão digital.

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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe – C

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TRATAMENTOS TÉRMICOS

De modo geral, o tratamento térmico consiste em aquecer e resfriar uma

peça de metal para que ela atinja ás propriedades mecânica desejadas como

dureza, elasticidade, ductibilidade e resistência a tração, que são chamadas

propriedades mecânicas do metal. A peça adquiri esta propriedade sem que se

modifique o estado físico do metal.

PROCESSO

A peça de aço deve ser colocada em um forno com temperatura definida para o

tipo de material, durante o tempo que foi calculado para alcançar o efeito

desejado. Retira-se com segurança do forno com o uso de uma tenaz e

submete-se ao resfriamento.

O resultado desse processo é a mudança nas propriedades mecânicas do aço,

e dependem de três fatores:

- Temperatura de aquecimento

- Velocidade de resfriamento

- Composição química do material

FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS.

O tratamento térmico representa um ciclo tempo temperatura, de modo que,

basicamente, os fatores a considerar são os seguintes: aquecimento, tempo de

permanência à temperatura e resfriamento.

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AQUECIMENTO.

Considerando como objetivo fundamental do tratamento térmico a modificação

das propriedades mecânicas do material, verifica-se que isto só é conseguido

mediante uma alteração da sua estrutura. Nestas condições, a liga considerada

deve ser aquecida a uma temperatura que possibilite tal modificação. Esta

temperatura corresponde geralmente valores acima da temperatura de

recristalização do material; no caso dos aços chamamos de temperatura crítica.

No aquecimento deve ser considerado o fator velocidade de aquecimento, que

não pode ser muito lenta, caso contrário haverá excessivo crescimento de grão, Ou

muito rápida, o que poderá provocar empenamento ou mesmo aparecimento de

fissuras.

TEMPO DE PERMANÊNCIA À TEMPERATURA.

A influência do tempo de permanência à temperatura de aquecimento é mais ou

menos idêntica a influência da máxima temperatura de aquecimento, ou seja, o tempo

à temperatura deve ser suficiente para que as peças se aqueçam de modo uniforme

através de toda sua seção. Deve-se evitar tempo além do estritamente necessário

para que isto ocorra, pois pode haver indesejável crescimento de grão, além da

oxidação de determinadas ligas.

RESFRIAMENTO.

A escolha do meio de resfriamento é fundamental no processo de tratamento

térmico e depende essencialmente da estrutura final desejada. O aumento do

percentual do carbono na liga é o responsável pelo aumento da dureza do aço.

Esse aumento do carbono se traduz pelo aumento da cementita na mistura.

Com os tratamentos térmicos podemos modificar as formas de cristalização do

aço e a disposição do carbono na liga, modificando, assim, a dureza do

material. A modificação da forma de cristalização é conseguida através da

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velocidade de resfriamento podendo endurecer ou “amolecer“ o material.

TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS

Existem duas classes de tratamentos:

Os tratamentos térmicos: que por simples aquecimento e resfriamento,

modificam as propriedades de toda a massa do aço.

Os tratamentos termoquímicos: que modificam as propriedades somente numa

fina camada superficial da peça. Nesses tratamentos a peça é aquecida

juntamente com produtos químicos e posteriormente resfriada.

TRATAMENTOS TÉRMICOS

RECOZIMENTO

Esse tratamento térmico tem por objetivo redução da dureza que os aços

possam apresentar devido a processos anteriores tais como: conformação a

frio (encruamento), tratamentos térmicos, processos de soldagem, fundição ou

outros processos que gerem endurecimento.

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Torna o aço mais homogêneo, melhora sua ductilidade tornando-o facilmente

usinável. O tratamento consiste em

elevar-se a temperatura da peça até a

transformação completa em austenita e

resfriar-se lentamente. de uma maneira

geral, indica-se o resfriamento com a

peça envolvida em areia para os aços

de baixo carbono e o resfriamento

controlado dentro do forno, para os

aços de alto carbono. Após o

recozimento a perlita se apresenta mais

grosa resultando daí uma menor dureza e resistência

NORMALIZAÇÃO

Pode ser também chamado de recozimento de normalização. O seu objetivo é

dotar o aço de suas características normais (material laminado a quente e

resfriamento ao ar). A normalização refina a granulação do aço; apaga

vestígios de tratamentos térmicos anteriores; elimina microestruturas brutas de

fundição; regulariza microestruturas em juntas soldadas. As peças

Normalizadas apresentam dureza média e uma boa resistência mecânica ao

contrário das peças recosidas que são

bem macias; maleáveis e pouco

resistentes. O tratamento consiste em

aquecer o material até a temperatura

de transformação da austenita e fazer-

se resfriamento ao ar. As

microestruturas obtidas na

normalização são semelhantes às do

recozimento apenas com a diferença

de que a perlita se apresenta mais fina resultando daí uma maior dureza e

resistência.

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REVENIMENTO

É um tratamento térmico subcrítico (abaixo da temperatura de transformação

da austenita) Tem como objetivo aliviar as tensões na martensita reduzindo

significativamente sua fragilidade reduzindo

conseqüentemente a dureza obtida na

têmpera. A microestrutura obtida é

chamada martensita revenida. As

temperaturas do revenido podem variar de

acordo com o desejo de maior ou menor

alívio de tensões internas e a sua

conseqüente perda de dureza. Altas

temperaturas de revenido podem estar

entre 550/650° C e baixas temperaturas

estão entre 300/400° C. Resfriamento ao ar.

TÊMPERA

O tratamento de têmpera consiste em elevar-se o material à temperatura de

transformação da austenita e resfriar-se o material rapidamente. Esse

resfriamento deve ser mais rápido quanto menor for o teor de carbono no

material. Podemos utilizar como meios de resfriamento desde a salmoura

gelada, passando por resfriamento em água gelada, água à temperatura

normal, óleo, ar soprado ou ar normal. Os tratamentos de têmpera também

podem apresentar diversas maneiras de serem efetuados. Temos a têmpera

comum com pouco controle no resfriamento ou as têmperas mais elaboradas

que por isso mesmo recebem os nomes

de austêmpera ou martêmpera. A

microestrutura que se deseja obter na

têmpera comum é a martensita. Essa

microestrutura apresenta elevada dureza,

elevada resistência mecânica e elevada

fragilidade. A têmpera comum causa um

grau elevado de tensões internas

podendo gerar trincas e empenos em

peças mais delicadas. Outro resultado

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dessa têmpera é a perda de tenacidade. Para reduzir esses inconvenientes é

indicado a seguir um tratamento de revenimento.

Para se entender os tratamentos térmicos a seguir é necessário conhecer as

curvas TTT. As curvas, Temperatura, Tempo, Transformação (TTT) são

características que os aços apresentam no resfriamento. Visto em um gráfico x,

y (temperatura, tempo) elas assim se apresentam:

Vejamos, então como podemos aproveitar essas características dos aços ao

serem resfriados. Quando queremos obter uma transformação na estrutura

interna de uma peça de aço, devemos aquecê-la a uma temperatura acima da

linha de transformação da austenita. Ao resfriá-la podemos fazê-lo mais ou

menos lentamente. A distância (tempo) entre o zero e o ponto “a” no gráfico

varia para cada tipo de aço podendo ser muito grande ou menor que zero. Por

isso devemos conhecer essas curvas do aço que queremos temperar para que

possamos utilizar o tipo de têmpera mais adequado.

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Quando a curva do resfriamento, devido à sua pouca velocidade corta as

curvas “1 “ e “2 “ no seu ponto alto obtemos uma microestrutura no material

formada por perlita grosseira (recozimento). Quando a velocidade de

resfriamento é um pouco maior temos como microestrutura, no material, a

perlita fina (normalização). Quando essa velocidade é muito grande e não corta

as curvas temos a formação de martensita (têmpera comum).

MARTÊMPERA

A martêmpera tem por objetivo obter na peça tratada uma estrutura de

martensita como na têmpera comum, porém devemos controlar o resfriamento

para que quando a temperatura alcançar a linha Mi (início da formação da

martensita) esse resfriamento é retardado de maneira que a transformação se

complete mais lentamente. O

meio de resfriamento é

normalmente óleo ou sal

fundido. O material é mantido

maior tempo entre as duas

linhas de transformação para

que a formação da martensita

se dê de maneira uniforme,

gerando menores tensões

internas. Em seguida a peça

é resfriada a qualquer

velocidade. Esse tratamento

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normalmente necessita o tratamento de revenimento para aliviar tensões

residuais.

AUSTÊMPERA

É um tratamento de endurecimento dos aços que consiste em aquecer o

material acima da temperatura de formação de austenita manter essa

temperatura até a completa transformação e fazer um resfriamento brusco até

uma temperatura ligeiramente acima da linha Mi. Esse processo é obtido

através da manutenção do material em banho de chumbo ou sal (fundidos)

(260 a 440° C). Deixando o material a uma temperatura constante durante o

tempo em que a linha de resfriamento ultrapassa as curvas “1” e “2” na altura

de transformação da bainita (sempre em temperatura constante). A

temperatura escolhida depende

da dureza que queremos obter.

Quanto mais baixo no gráfico

atingimos a bainita maior

endurecimento vamos

conseguir. Esse tratamento

dispensa o revenimento por

gerar baixas tensões internas.

É normalmente indicado para

temperar peças delicadas onde

os empenos e as deformações

são críticos. A desvantagem desse tratamento é que ele não pode ser feito em

aços de baixa temperabilidade além de ser um tratamento mais caro.

TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

CEMENTAÇÃO

A finalidade da cementação é fazer com que um aço de baixo teor de carbono

(macio) fique com a superfície dura, reunindo assim as duas características

ideais de uma peça. Que seja macia o suficiente para não partir com a

continuidade de choques e não se desgastar por abrasão nos pontos onde se

atrite com outras peças, como nos mancais. Esse tratamento é feito aquecendo

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a peça em um ambiente rico em carbono, o material do ambiente em que fica

a peça pode ser sólido, líquido ou gasoso. A peça deve permanecer nesse

ambiente por um tempo suficiente para que o carbono migre através do

material da peça tornando assim, a superfície rica em carbono. A espessura da

camada dura depende do tempo de permanência da peça nesse ambiente.

Essa permanência a alta temperatura faz com que cresça demasiadamente a

granulação do material cementado. Para que isso não aconteça o aço deve ser

especial para cementação, quer dizer, deve ter elementos de liga que iniba o

aumento do grão, com a temperatura. Após o tratamento superficial

(cementação) a peça deve ser temperada para que a camada superficial, rica

em carbono adquira a dureza desejada. Muitas vezes esse endurecimento é

feito através da têmpera por indução.

NITRETAÇÃO

É um tratamento semelhante à cementação. Apenas em vez do uso da

atmosfera de carbono, utiliza-se uma atmosfera rica em nitrogênio. Esse

elemento combina-se com alguns elementos de liga do aço (principalmente o

alumínio), formando nitretos que têm elevada dureza. Esse tratamento tem

como vantagem sobre a cementação o fator de não necessitar têmpera e ainda

aumentar a resistência da peca à fadiga e à corrosão. Tem ainda a vantagem

de utilizar temperaturas menores que a com menores riscos de empenos da

peça nitretada. Tanto na nitretação como na cementação o interior da peça não

sofre modificações consideradas.

CARBONITRETAÇÃO

O meio carbo-nitretante é uma atmosfera gasosa, contendo carbono e

nitrogênio ao mesmo tempo. A atmosfera pode ser constituída pelos seguintes

gases:

Gás de gerador – 77 a 89%

Gás natural – 9 a 15%

Amônia – 2 a 8%

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A temperatura vária de 700º. a 900º. C e o tempo de tratamento é

relativamente pequeno; a espessura das camadas carbo-nitretadas vária de

0,07 a 0,7 mm

A carbonitretação é usada, geralmente em peças de pequeno porte, como

componentes de relógios e aparelhos eletrodomésticos.

Temperaturas ideais de alguns tratamento térmicos

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QUESTÕES DO CAPÍTULO

1)No que consiste a têmpera?

2) Para temperar um aço com 1,40% de carbono recomenda-se aquece-lo a

uma temperatura acima de aproximadamente 850ºC e depois resfria-lo

rapidamente. Esse procedimento está correto? Caso não esteja explique o

processo ideal.

3)Qual ou quais tratamentos térmicos que consiste aquecer um aço com 0,4%

de carbono acima do ponto crítico e em seguida resfria-lo ao ar?

4)Quando normalmente utiliza-se o tratamento térmico de alívio de tensões?

5)O que é ferrita?

6)O que é cementita?

7)O que é austenita?

8)O que é perlita?

9)O que é martensita?

10)Explique porque no tratamento de Têmpera o aço para aumentar a máxima

dureza necessita ser resfriado rapidamente.

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11)O que é bainita?

12)O que é um aço hipoeutetóide?

13)O que é um aço hipereutetóide?

14)O que é nitretação?

15)O que representa os seguintes aços? E qual a porcentagem de carbono?

a) 4815 b) 5045 c) 1050 d) 1108 e) 4023