TECNOLOGIA NAVAL - PARTE 3.pdf

7/23/2019 TECNOLOGIA NAVAL - PARTE 3.pdf

1/128

TECNOLOGIA

NAVAL

2003 - 2004

Parte -III

MATERIAIS METLICOS


2/128

INDICE

1 Metais ferrosos 1

1.1 Introduo 1

1.1.1 Generalidades 1

1.1.2 Composio e Estrutura 1

1.1.3 Elementos de liga e seus efeitos 6

1.2 Ferros Fundidos 6

1.2.1 Generalidades 6

1.2.2 Classificao dos ferros fundidos 8

1.2.3 Aplicaes em Engenharia Naval 12

1.3 Ao - Classificao e Propriedades 13

1.3.1 Classificao dos aos 13

1.3.2 Mtodo de desoxidao e controle do tamanho do gro 15

1.4 Aos no ligados (aos sem liga) 16

1.5 Aos Ligados 23

1.5.1 Composio Qumica dos Aos Ligados 23

1.5.2 Microestrutura dos Aos Ligados 34

1.6 Tratamentos dos Aos 44

1.6.1 Tratamentos mecnicos 45

1.6.2 Tratamentos Trmicos 45

1.6.3 Tratamentos Termoqumicos 47

1.6.4 Tratamentos termomecnicos 47

1.6.5 Tratamentos Superficiais (Revestimentos) 47

1.7 Tecnologia de Processamento dos Aos 48

1.7.1 Soldabilidade dos Aos 48

1.7.2 Efeitos dos Diversos Elementos Qumicos na Soldabilidade dos Aos 49

1.7.3 Alguns aspectos em soldadura de materiais ferrosos 51

1.8 Aos para aplicao em Engenharia Naval 52


3/128

1.8.1 Aos correntes de aplicao estrutural 52

1.8.2 Aos estruturais de baixa liga 58

1.8.3 Aos de alta resistncia 58

1.8.4 Aos vazados 58

1.8.5 Aos forjados 60

1.8.6 Aos para tubos, permutadores de calor e reservatrios sob presso 62

1.8.7 Ao para aplicao em baixas temperaturas 63

2 Alumnio e suas ligas 65

2.1 Generalidades 65

2.2 Caractersticas e Propriedades Principais 65

2.3 Classificao das ligas de alumnio 69

2.4 Consideraes sobre o Projecto Estrutural em Alumnio 72

2.5 Aplicaes navais do alumnio e suas ligas 74

2.6 Produo de alumnio 81

3 Cobre e suas ligas 84



3.2.1 Propriedades fisicas 84

3.2.2 Propriedades mecnicas (a 20C) 85

3.2.3 Propriedades qumicas 85

3.2.4 Caractersticas gerais 85

3.3 Aplicaes 85

3.4 Bronzes 86

3.4.1 Ligas binrias de Cobre e Estanho (Cu-Sn) 86

3.4.2 Classificao dos bronzes 88

3.5 Lates 90

3.5.1 Ligas binrias de cobre e zinco (Cu-Zn) 90

3.5.2 Lates Comuns 92


4/128

3.5.3 Lates especiais 94

3.5.4 Aplicaes gerais 95

3.6 Ligas de Cupronquel 95

3.7 Soldadura e Brazagem 97

3.7.1 Corroso nas Juntas de Unio 97

3.7.2 Soldadura 98

3.7.3 Brazagem - Soldadura Branda 99

3.8 Ligas de cobre de fundio para acessrios de sistemas martimos 100

3.9 Requisitos dos materiais para hlices 108

3.9.1 Propriedades do Material 108

3.9.2 Fabrico 108

4 Zinco e suas ligas 113


4.2 Aplicaes do Zinco 113

5 Titnio e suas ligas 116


5.2 Metalurgia, Caractersticas e Propriedades Principais 116

5.3 Formas de Comercializao e Tecnologia de Fabrico 119

5.4 Ligas de Titnio 119

5.5 Aplicaes do Titnio e suas Ligas 119

6 Nquel e suas ligas 121



6.3 Aplicaes do Nquel e das suas Ligas mais usadas 123

6.4 Tratamentos e Soldabilidade 123


5/128

1 Metais ferrosos

1.1 Introduo

1.1.1 Generalidades

Apesar do rpido aumento na utilizao das ligas metlicas leves e dos polmeros, as ligasferrosas, particularmente os aos, continuam a ser o material estrutural predominante comuma produo mundial que constitui um ndice fundamental para avaliao do estado dosistema econmico global.

A principal razo para a predominncia do uso dos metais ferrosos foi a relativa abundnciada matria prima e o desenvolvimento da sua tecnologia de processamento, que permitiu aproduo de diferentes ligas e qualidades, alcanando uma gama de caractersticas todiversificada que no coberta por qualquer outra famlia de materiais.

A tenso de rotura dos aos vai de 330MPa nos aos de construo correntes a 3300MPaem ligas de muito alta resistncia; existem aos que oxidam rapidamente na atmosfera, eoutros que resistem ao ataque dos cidos mais agressivos; alguns aos so duros e frgeisenquanto outros so plasticamente conformveis e as suas propriedades podem seralteradas por tratamentos trmicos, mecnicos e qumicos.

1.1.2 Composio e Estrutura

Os materiais ferrosos so, em essncia, ligas de ferro e de carbono, em que aparecemassociados outros elementos. O ferro puro tem uma densidade de 7,87 e um ponto de fusode 1536C.

O ferro comercialmente puro contm pequenas quantidades de carbono, mangans, fsforo,enxofre e silcio; tem um uso limitado, em comparao com outros materiais ferrosos; o ferrocomercialmente puro muito dctil, tem boa resistncia corroso atmosfrica, elevadapermeabilidade magntica e uma resistividade relativamente baixa.

Com excepo do ferro comercialmente puro, todos os outros metais ferrosos - aos e ferros- so considerados primordialmente ligas binrias de ferro e carbono, a despeito de serfrequente, os restantes elementos de liga terem teores superiores ao carbono, contudo este o factor predominante no desenvolvimento e controle da maioria das propriedadesmecnicas (Figura 1).

O ferro puro alotrpico, existindo no estado slido em duas redes cristalinas diferentes (fig.2.2); desde as temperaturas inferiores a zero at 911 C, tem uma estrutura cbica de corpocentrado (ccc) - ferro (Figura 2). De 911 C at 1392 C, a rede cristalina cbica defaces centradas (cfc) ferro .

Acima de 1392 C e at fuso a 1536 C, a estrutura volta a ser c.c.c. (ferro ), mas notem uso prtico. Na dcada de 1920, foi possvel, atravs da difraco de raios x demonstrarque esta estrutura cristalina era da forma , apenas modificada pela elevao detemperatura. A mudana de fase /fase

reversvel.

As alteraes no arranjo cristalino correspondem a uma transformao de fase.

1


6/128

Figura 2 Transformaoalotrpica do ferro

Figura 1 Influncia do teor decarbono nas propriedades mecnicas

Quando o ferro se combina com o carbono ou com outros elementos, as temperaturas dastransformaes de fase alteram-se em funo dessa composio.

O elemento carbono pode estar presente em qualquer das fases; uma vez que os tomos deC so mais pequenos que os de Fe, eles podem entrar na estrutura cristalina e produzirsolues intersticiais.

A solubilidade do C no Fe limitada. Na fase o mximo de cerca de 2.1%. Na fase ,apenas 0.005% de C solvel na estrutura c.c.c. Para alm do C solvel, ele pode aparecercomo carboneto de ferro Fe

3 C (cementite) ou como carbono isolado na forma de flocos oumdulos de grafite.

A distino entre o ao e o ferro fundido feita na base das formas sob as quais o carbonoest combinado com o peso. Nos ferros fundidos, pelo menos algum C aparece isolado,

como grafite. No ao, o C aparece em solues slidas intimamente combinado com o Fe,

2


7/128

normalmente na soluo slida ferrite e aparece como carboneto de ferro (Fe3C),metalograficamente conhecida por cementite.

Os aos so ligas de ferro e carbono, cujo teor de carbono varia entre 0.03 a 2.06% (sendonormalmente inferior a 1%); os aos podem possuir elementos de liga (aos de liga)variando o teor de carbono dentro daqueles limites. H casos onde os aos podero atingir

um teor de 2.5%; so os chamados aos ledeburticos.Uma propriedade caracterstica dos aos a possibilidade de serem plasticamenteconformveis (forjabilidade).

Figura 3 Diagrama de equlibrio das ligas ferro-carbono

3


8/128

As ligas ferro-carbono com o teor de C superior a 2.06% so designadas por ferro fundido. Omximo teor de carbono de 6.67%, que corresponde cementite pura. Em geral, asfundies de ferro no so forjveis.

As fases bsicas das ligas ferrosas so:

)(cementiteoFerro/FerrdeCarbonetoicointermetlComposto

ferro)emCdessaturada(sol.sobreMartensite-

)fasenaCde(sol.Austenite-

)fasenaCde(sol.Ferrite-

C-FeSlidasSolues

Grafite

As ligas ferrosas podem formar as seguintes microestruturas resultantes das transformaesde fase:

Perlite - constituda por 88% de ferrite e 12% de carboneto de ferro emlamelas alternadas (contm 0,86% C) o eutectode do sistemametaestvel.

Martenite Revenida - estrutura de carbonetos esferoidais em ferrite.

Bainite - disperso de carbonetos de ferro com ferrite ( um produtointermedirio entre a martensite e a perlite.

Ledeburite - mistura de austenite e cementite que ocorre principalmente emferros fundidos com C > 2%; este constituinte duro e frgil, devido cementite ser cerca de 50%; o eutctico do sistema metaestvel

(C=4.3%).

Figura 4 Diagrama de equilbrio Fe-C

Para ilustrar como se podem processar as transformaes tomemos como exemplo (figura4) um ao de baixo teor de carbono - 0,2% - e vejamos o que se passa num arrefecimento

lento na zona de transformao. A transformao para este ao comea temperatura de845 C. A parte do metal que primeiro atinge esta temperatura transforma-se em ferrite (ccc)e expele o carbono intersticial para as outras regies de austenite. medida que o metal

4


9/128

arrefece maior quantidade de ferrite se vai formando, menos austenite existe, mas cada vezmais rica em carbono. Assim, por exemplo, no ponto F da figura o diagrama mostra que aaustenite restante contm 0,5% de carbono (ponto F).

A cerca de 780 C, o limite inferior da zona de transformao para este ao, a restanteaustenite tenta transformar-se a despeito das elevadas concentraes de carbono. Ento

dois factos se passam: o carbono combina-se com os tomos de ferro disponveis paraformar Fe3C - cementite que se precipita como uma estrutura discreta; a restante austenitetransforma-se em ferrite. Daqui resulta uma estrutura que na sua forma final apresentacamadas alternadas de ferrite e cementite; obviamente as partes que primeiro setransformaram em ferrite aparecem com grandes ilhas de ferrite pura. Esta estrutura emcamadas formada na fase final de transformao designa-se por perlite. A estruturacombinada de ferrite e perlite macia, dctil e pode representar o ao na sua forma demenos resistncia. A transformao, abaixo de 720 C, termina e esta estrutura combinadamantm-se at temperatura ambiente.

Pelo contrrio, quando se arrefecem rapidamente as ligas de ferro-carbono, isto , quando

se efectua uma "tmpera" os tomos de carbono expelidos no tm tempo de se afastar daferrite o ao torna-se to rgido que, antes que os tomos de carbono tenham possibilidadede mover, so apanhados na estrutura medida que os tomos de ferro se vo tentandotransformar numa estrutura (c.c.c.). Daqui resulta uma estrutura tetragonal de corpocentrado em que o tomo de carbono um elemento intersticial. O ao que sofreu este tipode transformao diz-se martenstico. evidente que a martensite no est em estado deequilbrio, e deve muito da resistncia e da sua dureza sua estrutura distorcida que ficacom tenses internas; da a sua baixa ductilidade.

De notar que esta transformao j no pode ser analisada com o recurso ao diagrama deequilbrio, havendo portanto que recorrer a outros diagramas como os diagramas de

transformao isotrmica TTT, (Figura 5).

Figura 5 Diagrama de transformao isotrmica para um ao eutectoide

(diagrama TTT - Tempo, Temperatura, Transformao)Para modificar a estrutura de um ao existem variados tratamentos trmicos.

5


10/128

Como exemplo, citaremos o caso da martensite revenida - aquecimento abaixo datemperatura A3; algumas das tenses internas so aliviadas, resultando uma estrutura maisdctil que a estrutura inicial temperada.

Outros tratamentos trmicos modificam as propores de perlite e martensite; alguns fixam amartensite temperatura ambiente.

Alguns tratamentos alteram ou reduzem o tamanho dos gros ou faces das estruturas comvista a aumentar a resistncia ou tenacidade. Quando so adicionados outros elementos liga ferro carbono, como por exemplo boro, nquel, crmio, mangans, silcio, vandio, ocomportamento de ligas ferrosas, quando se transforma uma estrutura noutra estrutura, bastante complexo. Devido estrutura dos aos, poderemos alterar de tantas maneiras assuas propriedades mecnicas que a gama de opes variada; convm recordar que noimportam apenas as propriedades mecnicas, mas igualmente a resistncia corroso,condutividade trmica e elctrica, etc.

1.1.3 Elementos de liga e seus efeitos

Como se disse, alm do C, diversos elementos esto presentes em aos e ferros. Alguns,como o P, o Mn, o Si esto inevitavelmente presentes em pequenas quantidades podendoser ou no vantajosos. So as impurezas e os elementos desoxidantes. Outros sointencionalmente adicionados para alterar a estrutura, propriedades e modo deprocessamento.

Tal como o C, alguns elementos de liga so solveis no ferro e assim formam soluesslidas com o ferro produzindo ligas com melhor resistncia traco, ductibilidade etenacidade. Tambm o C, alm de formar um composto intermetlico com o ferro,combina-se com muitos elementos de liga, incluindo o Mo, Cr, V, B, Ti e W. Estes

carbonetos de liga so tal como o C3Fe extremamente duros e sem tenacidade.

Alguns elementos de liga so adicionados para prevenir o crescimento do gro, formandoxidos ou carbonetos que produzem uma rede nos limites dos gros da austenite, inibindo ocrescimento do gro. O AI o elemento mais efectivo para tal efeito; outros so o Z, V, Cr eTi.

Estruturalmente, a adio dos elementos de liga quase sempre alteram a temperatura datransformao fase /fase , como j referido anteriormente.

Outro efeito dos elementos de liga a melhoria da dureza, por mudana na transformao

austenite-ferrite.

1.2 Ferros Fundidos

1.2.1 Generalidades

Os ferros fundidos so ligas quaternrias de ferro, carbono, silcio e mangans, que podemainda ter outros elementos de liga destinados a melhorar determinadas propriedades. O teorde carbono varia entre 2.06 e 6.67% (mais correntemente entre 3 e 4%). Tm um baixoponto de fuso.

So materiais bastante usados, sobretudo onde necessrio executar peas de formascomplexas, onde a construo mecanossoldada no possvel ou no econmica.

6


11/128

As caractersticas de resistncia ao desgaste, abraso e calor, tomam estes materiaisadequados para diversos fins onde estas propriedades so significativas.

So materiais relativamente baratos e de tecnologia acessvel, embora tenham algunsinconvenientes no que se refere sua especificao e controle de propriedades mecnicas.Ao contrrio dos metais forjados, os ferros fundidos tm propriedades mecnicas que

dependem no s da composio da liga e microestrutura, como tambm da velocidade dearrefecimento da fundio, das dimenses e configurao das peas.

A especificao dos ferros fundidos faz-se ou pela correlao entre a dureza superficial e aresistncia traco ou pela aferio do comportamento de provetes testemunho,agregados s fundies ou obtidos entre elas, nas mesmas condies. No , portanto,vulgar especificar ferros fundidos no ligados pela sua composio.

O carbono, como elemento de liga principal, est presente sob duas formas - grafite oucarbono livre e carboneto de ferro ou cementite.

Um elevado teor de carbono faz o ferro em estado lquido muito fludo com uma boamoldabilidade.

A precipitao do carbono como grafite, durante a solidificao, contraria a tendncia para acontraco do metal com o arrefecimento, produzindo fundies de boa qualidade.

A grafite tambm permite uma excelente maquinabilidade, boa absoro de vibraes eactua como lubrificante nas superfcies de desgaste.

O silcio outro elemento de liga do ferro fundido, existindo em teores que vo de 0.5 a3.5%. A sua funo principal a de promover a formao da grafite (inibindo a formao decementite) e de determinadas microestruturas. Na Figura 6 mostra-se o efeito do teor de Sina dureza e na formao de grafite.

Figura 6 Efeito do teor de Si na dureza e na formao de grafite

So elementos grafitizantes (inibidores da formao da cementite) os seguintes: Si, AI, Ti eCu.

So elementos anti-grafitizantes (favorecem a formao de cementite) os seguintes: Mo,Mn, Cr e V.

O Mn tem um efeito dessulfurante, sendo, por isso, um elemento necessrio; no entanto, a

sua presena deve ser limitada nos ferros fundidos cinzentos, por ser antigrafitizante(0.5


12/128

A Figura 7 apresenta a relao entre a dureza e o teor de Mn.

O fsforo aumenta a fluidez a quente e baixa a temperatura de fuso; melhora amoldabilidade, mas aumenta a fragilidade a frio. O teor mximo de P dever ser de 1.5%,mas normalmente no ultrapassa os 0.35%.

O enxofre tende a combinar-se com o ferro, formando um sulfureto que se deposita nasfronteiras do gro, diminuindo a resistncia mecnica, o seu teor deve ser inferior a 0.02%.

Figura 7 Efeito do teor de Mangans na dureza

A equivalncia do efeito dos elementos de liga Si, P e Mn, relativamente ao C, pode seravaliada atravs de uma frmula emprica que nos d o "Carbono Equivalente".

Ceq = % C total + 0.312 (% Si) + 0.33 (% P) - 0.66 (% Mn)

O efeito do fsforo na dureza pode ser calculado pela seguinte frmula emprica

HB real (c/ fsforo)= HB corrigido (s/ fsforo) + 30 (% P)A Tabela 1 apresenta o efeito dos elementos constituintes do ferro fundido nas suaspropriedades.

Tabela 1 Efeito dos constituintes nas propriedades dos ferros fundidos

Constituinte Dureza Resistncia Contraco Enxofre Cementite Grafite

Cementite + + + -

Grafite - - - -

Silcio - - - - - +

Mangans - + - + -

Enxofre + - + + -

Fsforo + - + + -

1.2.2 Classificao dos ferros fundidos

(1) O ferro fundido cinzento utilizado no estado vazado, para numerosos fins. As lamelasde grafite, que do ponto de vista mecnico actuam como se fossem pequenas fissuras,

8


13/128

conferem ao metal uma boa maquinabilidade, uma vez que as aparas se desprendem comfacilidade. Da mesma forma as lamelas de grafite conferem uma elevada capacidade deamortecimento, o que importante na absoro das vibraes.

O ferro fundido cinzento tem reduzida resistncia mecnica e ductilidade.

A resistncia corroso na presena de gua salgada superior dos restantes ferrosfundidos, porque as lamelas de grafite criam uma barreira libertao dos produtos dacorroso, e por conseguinte, limitam a deteriorao do material. Devido a existncia dagrafite, os ferros fundidos cinzentos tm propriedades "autolubrificantes" com interesse emalgumas aplicaes, onde o baixo coeficiente de atrito importante, como o caso detransmisses por engrenagens.

A norma DIN 1691 especifica estes ferros fundidos, pela designao GG, seguida de umnmero que representa a tenso de rotura mnima em Kg/mm2 : ex. GG18 corresponde r 18Kg/mm2 ; de notar que a tenso de rotura se reduz com o aumento da espessura.

O ferro fundido cinzento o ferro fundido mais barato e de uso mais generalizado.A superfcie de fractura frgil, de aparncia cinzenta baa.

A tenso de rotura compresso muito superior tenso de rotura traco, suplantandoat os aos de baixa liga, quando normalizados.

Mantm as propriedades de resistncia entre os 184C e os 426 C.

Ao contrrio da maioria dos metais ferrosos, o mdulo de elasticidade dos ferros fundidoscinzentos no constante, reduzindo-se com o aumento do alongamento, indo de 8450Kg/mm2 a 14085 Kg/mm2.

A sua utilizao muito variada, indo dos blocos de motores a mbolos, corpos de vlvulas,volantes, prensas, tambores de traves, transmisses por engrenagens, corpos de bombase de maquinaria do convs, etc.

(2) Os ferros fundidos nodulares ou esferoidais tm uma estrutura obtida directamenteda fundio de ferro fundido cinzento, adicionando uma pequena quantidade de magnsio ecsio, elementos que fazem precipitar mdulos de grafite que nascem na direco radial,com o arrefecimento; esta tendncia contrariada pela presena de MnS.

Estes materiais so cada vez mais utilizados e tm boas propriedades mecnicas e ptimas

propriedades de fundio e maquinagem.

A norma DIN 1693, especifica estes materiais atravs das letras GGG-42 (referindo onmero, a tenso de rotura mnima em Kg/mm2)

Estes materiais, com boa resistncia ao desgaste, elevado mdulo de elasticidade, elevadamaquinabilidade e resistncia fadiga, apresentam tambm melhor resistncia aos choquese aos esforos estticos que o ferro fundido cinzento; em contrapartida, apresenta menorcapacidade de amortecimento de vibraes e menor condutibilidade trmica.

Podem atingir tenses de rotura superiores a 800 N/mm2.

So usados em corpos de vlvulas e de bombas, caixas redutoras, etc.

9


14/128

(3)O ferro fundido branco obtido por arrefecimento rpido (regelamento), originando acementite; demasiado duro para ser maquinado pelo que tem de ser obtido na sua formafinal; tem boa resistncia ao desgaste e abraso, pelo que so vulgares as aplicaes emmaquinaria de construo civil, agrcola, etc.

Este material tem uma superfcie de fractura frgil, de aparncia branca.

(4) Os ferros fundidos maleveis so obtidos a partir de ferro fundido branco, sujeito atratamento trmico aps vazamento (800 a 1000 C) para eliminao de cementite (esteferro fundido contm cerca de 0.6% a 1% de Si, para promover a decomposio dacementite durante o tratamento trmico, mas insuficiente para originar lamelas de grafitedurante a solidificao). Aplica-se a norma DIN 1692 (GT_).

O ferro fundido malevel de ncleo (ou corao) branco (GTW) obtido por aquecimento dapea vazada em atmosfera oxidante para descarbonizar as camadas superficiais (reduodo teor de carbono).

O ferro fundido malevel de ncleo negro (GTS) obtido por aquecimento da pea a cercade 900" C em ambiente neutro, durante horas, afim de decompor a cementite em mdulosde grafite em forma de rosetas, que no tm o efeito prejudicial da fissurao das lamelas degrafite. Uma vez que este ferro fundido consegue apresentar propriedades semelhantes sdo ao de construo, muito aplicado em engenharia em geral e em mquinas agrcolasem particular tem uma elevada tenacidade, boas propriedades de fundio e excelentemaquinabilidade.

Ferros Fundidos Especiais

Num ferro fundido normal, os elementos fundamentais so o ferro e o carbono, aparecendo

outros elementos como o silcio, mangans, fsforo e enxofre em percentagens reduzidas,constituindo, em alguns casos, impurezas.

Nos ferros fundidos especiais, adicionamos intencionalmente elementos como o nquel,crmio, molibdnio ou outros, em quantidades apreciveis com o fim de obter uma melhoriadas suas propriedades.

Podemos considerar como ferro fundido especial aquele que contenha um ou vrios desteselementos em percentagens superiores s abaixo indicadas.

Tabela 2 Elementos dos ferros fundidos especiais

Ni Cr Cu Ti V

0.30% 0.20% 0.35% 0.10 0.10%

Mo Ai Si Mn

0.10% 0.10% 0.10% 1.5%

O silcio e o mangans so elementos que esto sempre presentes, mas s se consideramcomo elementos de liga, quando presentes acima das percentagens atrs indicadas.

10


15/128

Existem ferros fundidos especiais que alm de apresentarem elevada percentagem deelementos de liga, so submetidos a tratamentos trmicos e qumicos adequados obteno de determinadas propriedades.

O grande interesse na utilizao destes ferros fundidos reside no facto de se conseguir obtermuitas caractersticas iguais ou superiores s dos aos, permitindo o seu uso na obteno

de peas por fundio.

De entre as caractersticas que se conseguem melhorar, refira-se:

Resistncia mecnica a quente;

Resistncia oxidao e estabilidade a temperaturas elevadas;

Resistncia corroso.

A ttulo de exemplo, vamos citar dois tipos de ferros fundidos especiais.

(1) Ferros Fundidos Resistentes ao Calor e Corroso.

So ferros em que a percentagem de silcio varia entre 4 e 10%, o que faz com que a grafitese distribua uniformemente, formando uma estrutura fina que assegura uma elevadaresistncia penetrao dos gases

Osilcio,quando em percentagens elevadas,torna o ferro quebradio no devendo por isso,ultrapassar os 6%.

Quando as exigncias so mais elevadas, podemos recorrer a ferros com 1,4 a 4% decrmio associado a 12 ou 14% de nquel, ou ento, introduzir apenas crmio em

percentagens de 28 a 36%.

Os ferros de crmio e nquel denominam-se austenticos. Resistem bem a variaes detemperatura, mesmo da ordem dos 1000C, e so amagnticos. So tambm resistentes corroso porque constituem uma estrutura densa e compacta, livre de incluses nometlicas.

Estes ferros aplicam-se em grelhas e cadinhos de fornos, moldes para a indstriavidreira,suportes de sobre-aquecedores, cubas. etc.

(2) Ferros Fundidos Resistentes ao Desgaste

Existem dois tipos fundamentais:

Os que resistem ao desgaste por abraso;

Os que resistem ao desgaste por choque.

Os primeiros contm nquel, crmio e molibdnio, o que permite a obteno de umaestrutura muito dura e de alta resistncia (estrutura martenstica ou sorbtica).

Os segundos contm crmio e alumnio e so submetidos a um tratamento termoqumico a525C numa atmosfera de amonaco. No final obtemos um ferro de dureza elevada, daordem dos 350 HB.

11


16/128

Estes ferros aplicam-se em corpos de britadeiras, parafusos de transmisso, bombas,camisas de motores de camio, motores de competio.

Tabela 3 Ferro Fundido Especial

Elementos (%)Tipo

C Si Mn S P Ni Cr Al t (Mpa) HB

Elevada% de Si

2.70 5.56.5

0.30.5

0.1 0.1 160180

180300

Resistenteao calor e corroso

Elevada% de Cr

1.5 1.7 < 1.0 0.1 0.12832

320360

Ni + CrAusten-ticos

2.63

1.52.7

1.02.0

< 0.1 0.2 141.54

6220250

130160

Elementos (%)Tipo

C Si Mn S P Ni Cr Mo HB

Resistentes ao des-

gaste por abraso

3

4

0.5

1.5

0.5

1.5

< 0.1 0.12

6

0.5

2.5

2 > 450

Resistentes ao des-gaste por choque

2.62.9

2.42.7

0.91.1

< 0.1 0.11.52

320350

1.2.3 Aplicaes em Engenharia Naval

Os ferros fundidos so bastante aplicados em componentes mecnicos e em peas deaprestamento.

A variedade de utilizao mais comum o ferro fundido cinzento; para determinadasaplicaes usam-se o ferro fundido modular ou esferoidal e tambm o ferro fundido

malevel.Das aplicaes mais correntes salientamos as seguintes:

Corpos de bombas, de vlvulas e de maquinaria diversa Blocos de motores de combusto interna de pequena dimenso, cabeas e mbolos

de motores Colectores de evacuao e permutadores de calor de pequena dimenso Cabeos, buzinas, castanhas e demais peas de aprestamento naval Veios de manivelas de motores Diesel e de compressores frigorficos

As Sociedades de Classificao estabelecem requisitos para ferros fundidos cinzentos e

ferros fundidos nodular ou esferoidal. A Soc. Class. LRS refere que, com excepo dosveios de manivelas, os ferros fundidos cinzentos devem ter uma tenso de rotura entre 200e 350 MPa; no caso dos veios de manivelas o valor mnimo ser de 250 MPa. Indica aindaque nos ensaios de traco as superfcies de fractura devem ser granulares e comaparncia cinzenta e que as peas devero ser isentas de defeitos.

No caso do ferro fundido nodular, que admitido poder ter uma tenso de rotura de 900MPa, j so apresentados valores de controle para a tenso de cedncia, extenso apsrotura, dureza e microestrutura. A exigncia e controle portanto maior que os ferrosfundidos cinzentos.

A forma de especificao mais corrente para ferros fundidos est de acordo com as normasDIN anteriormente referidas.

12


17/128

Dadas as caractersticas de fragilidade dos ferros fundidos, importante que paraaplicaes de responsabilidade existam verificaes de qualidade muito precisas, paradetectar fissuras ou outros defeitos, que poderiam constituir o inicio de uma rotura frgil.

De notar que no permitido o uso de componentes de ferro fundido em sistemas deencanamentos, directamente ligados ao casco, por razes relacionadas com a fragilidade

desse material.A resistncia corroso destes materiais, na presena da gua do mar relativamentereduzida, isto , os ferros fundidos cinzentos deterioram-se segundo um modo de corrosoem que o ferro oxidado e entra em soluo ficando o carbono sob a forma de grafite. Estaforma de corroso selectiva designa-se por grafitagem e mostra a importncia do carbonolivre, quando em percentagens significativas, na corroso do ferro.

Nos ferros fundidos cinzentos, o carbono vai funcionar como ctodo, acelerando a corrosodo ferro, que funciona como nodo; no incio o processo corrosivo mais intenso que nocaso dos aos macios; no entanto, numa fase posterior, se a grafite for uniformemente

distribuda em lamelas como corrente neste tipo de material, dar lugar a uma rede queretm os produtos da corroso do ferro, opondo-se a uma posterior difuso, cessando oureduzindo a corroso a taxas baixas. Esta aco tanto mais intensa e as camadas maisimpermeveis quanto mais finas forem as lamelas de grafite. De notar que o quesuperficialmente aparenta serem lamelas na verdade uma estrutura tridimensional em quea grafite aparece com a configurao de rosetas.

No caso dos ferros fundidos brancos, em que a pilha electroqumica constituda por ferro ecementite, a diferena de potencial inicialmente menor mas, como no se forma a "redeprotectora" inerente aos ferros fundidos cinzentos, torna-se mais grave do ponto de vista dacorroso.

Por serem mais resistentes corroso em guas com sulfuretos, os ferros fundidosempregam-se em circunstncias onde existam guas poludas ou com enxofre.

Por resistirem oxidao a temperaturas elevadas, usam-se em colectores de escape demotores e em placas de foges.

1.3 Ao - Classificao e Propriedades

1.3.1 Classificao dos aos

O grande desenvolvimento da indstria dos aos e a variada gama de aplicaes que setornaram possveis, originou um conjunto de classificaes das quais se destacam:

Processo de elaborao Processo de desoxigenao Microestrutura Teor de carbono Composio qumica Resistncia mecnica Aplicaes Forma de comercializao

1.3.1.1 Processo de elaborao (mtodo de produo)

Siemens Martin SM

13


18/128

Convertedor Bessemer BFuso por arco elctricoFuso em fomo de induo de alta frequncia EConvertedor de Thomas TFuso em cadinho TIProcesso LD (Linz-Doravitz) - Oxiconvertedores LD

1.3.1.2 Processo de desoxigenao (desoxidao) U

Efervescente Semi-calmado Calmado R Especialmente calmados RR

1.3.1.3 Microestrutura (composio bsica da estrutura cristalina)

Ferrticos Perlticos Austenticos

Martensticos Ledeburticos

1.3.1.4 Teor de carbono

(a) Teor real de carbono

Baixo teor de carbono (C < 0.3%)

Mdio teor de carbono (0.3 < C < 0.7%)

Elevado teor de carbono (C > 0.7%)

Para um ao no ligado com 0.15 < C < 0.25% corrente usar-se a designao de "aomacio"

(b) Teor de carbono relativamente ao eutectoide

Hipoeutectoide C < 0.86%

Eutectoide C = 0.86%

Hipereutectoide C > 0.86%

1.3.1.5 Composio qumica

(a) Ao sem liga (ao no ligado)Frequentemente conhecido pela designao imprpria de ao carbono

(b) Ao de liga

ao de baixa liga (fracamente ligado) (qualquer elemento de liga < 5%

ao de alta liga (fortemente ligado) (qualquer elemento de liga > 5%)

1.3.1.6 Resistncia mecnica

Aos correntes

Aos de alta resistncia (T02 > 600 MPa)

14


19/128

Aos de muito alta resistncia 1000 1800 N/mm2

*De notar que esta classificao pouco significativa pois um mesmo material pode estaremduas classes, devido a tratamentos trmicos ou mecnicos diferenciados, a que estejasujeito. Trata-se normalmente de aos de liga.

1.3.1.7 Aplicaes (utilizao)

Aos de caldeiras, flanges e caixas de fumos (aos que podem ser trabalhados a friosem fissurar)

Aos de endurecimento superficial

Aos resistentes corroso e ao calor

Aos para estampagem e prensagem (automveis, frigorficos, foges)

Aos para electricidade (com elevador de Si)

Ao forjado (para trabalho a quente) Ao de fcil maquinagem (parafusos, porcas e outras peas de srie)

Aos de construo (para mquinas)

Ao soldvel para tubos (muito macio - baixo teor de C)

Ao de caminho de ferro (carris)

Ao para chapa fina (para manufacturar folha de Flandres)

Ao de molas

Ao estrutural (navios, edifcios, pontes, aparelhos de carga)

Ao de ferramentas

Ao de pequena variao dimensional

Aos especiais (para mans, refractrios, etc.)

1.3.1.8 Forma de comercializao

Vazado

De conformao plstica:

Perfilados - barras, cantoneiras, perfis, vares, vergalhes

ChapasProdutos estirados - barras, perfis e tubos (de dimenso bastante rigorosa)

Produtos de trefilados - fios e arames

O interesse numa melhor compreenso de algumas destas propriedades justifica a suaabordagem mais detalhada.

1.3.2 Mtodo de desoxidao e controle do tamanho do gro

O ao, quando em banho de fuso contm oxignio dissolvido, o qual um elemento

importante no fabrico do ao. O modo como este oxignio libertado medida que o metalsolidifica, determinante de algumas caractersticas do ao.

15


20/128

Em aos de baixo teor de carbono, na ausncia de desoxidantes, a reaco de carbono comoxignio produz monxido de carbono durante a solidificao do lingote. Como resultado,este lingote tem a camada exterior isenta de cavidades e a zona interior com porosidade,devida contraco e aos gases que no foram libertados. No h uniformidade nascaractersticas e composio qumica da massa do metal.

Os aos que no sofrem desoxigenao so identificados como aos efervescentes. A suasuperfcie exterior praticamente isenta de carbono e muito dctil. So especificados paraestampagem a frio, por a camada exterior apresentar boa ductilidade; dada a sua falta dehomogeneidade no so apropriados para forjamento a quente, no o sendo tambm paraaplicaes estruturais, sobretudo para espessuras elevadas e para outras aplicaes ondeseja necessrio proceder soldadura.

Os aos que sofrem um processo de desoxigenao designam-se por especialmentecalmados, calmados e semi-calmados, consoante o nvel de desoxigenao.

Os aos semi-calmados derivam de lingotes parcialmente desoxidados, sendo usados em

aplicaes estruturais. Os aos calmados so completamente desoxidados pela adio defortes agentes oxidantes como o silcio e o alumnio. So melhores que os outros j citadosporque tm uma elevada uniformidade na composio qumica e nas propriedades damassa do metal. Em adio desoxigenao, o processamento de fabrico dos aos podeser completado com o refinamento do gro.

O refinamento do gro conseguido pela adio de elementos como o alumnio, o nibio ouo vandio, para limitar o crescimento do gro durante o perodo de formao do mesmo.Este procedimento pode ser melhorado atravs do tratamento de normalizao que tambmvisa homogenizar e refinar a estrutura do gro.

1.4 Aos no ligados (aos sem liga)

Designa-se por ao no ligado ou ao-carbono o ao que deve as suas propriedadesessencialmente ao teor de carbono e em que alm dos elementos de elaborao e dasimpurezas, no contem nenhum elemento de liga em quantidade superior aos mnimosindicados para o ao ligado e que so:

Tabela 4

AI 0.10% Cu - 0.40 Ni - 0.30 Te-0.10

Bi - 0.10 Lantandeos - 0.05 Nb - 0.06 Ti - 0.05

B 0.0008 Mn - 1.65 Pb - 0.40 W - 0.01

Cr - 0.30 Mo - 0.08 Se-0.10 V - 0,10

Co-0.10 Outros el. exceptoC, S, P, N - 0.05

Si - 0.50 Zr - 0.05

A Figura 8 mostra a parte do programa diagrama de equilbrio que interessa aos aos eapresenta um esboo das diversas microestruturas devido s transformaes alotrpicas de

um ao com 0.4% C. De notar que estas transformaes apenas ocorrem segundo odiagrama de equilbrio, se forem efectuadas lentamente; de outra forma, se o arrefecimento

16


21/128

for brusco ou rpido, haver que usar o diagrama de transformao isotrmica (diagramaTTT) ou o diagrama de arrefecimento contnuo para estudar as transformaes.

Dos elementos existentes nos aos no ligados alguns, como o Si, o Mn e o AI soelementos benficos visando a desoxigenao, controlo do tamanho do gro, etc.; outroselementos como o enxofre, o fsforo, o oxignio e o hidrognio so em geral indesejveis,

constituindo impurezas que devem ser removidas para se obter aos de qualidade.

Figura 8 Zona do diagrama metaestvel correspondente aos aos.

Por definio, os aos sem liga so aqueles que contm at cerca de 1% de carbono, demenos de 1.65% mangans, 0.60% silcio e quantidades residuais de outros elementos talcomo o enxofre, (0.05% no mximo) e fsforo (0.04% no mximo). De notar que nos EUA os

aos no ligados possuem teores de ~ 0.60% Cu, devido ao fabrico que usa sucatas ricasem cobre.

Nestes aos, o carbono o elemento principal e determinante das diversas propriedadesmecnicas. Como se viu anteriormente - - o aumento de resistncia traco e umaumento da dureza simultaneamente provoca um decrscimo no alongamento e naductilidade. O teor de carbono tambm altera as propriedades fsicas e a resistncia corroso; o seu aumento provoca uma reduo na condutibilidade trmica e elctrica, bemcomo na permeabilidade magntica e a resistncia corroso e reduzida.

Figura 1

Como j referimos so geralmente divididos em trs grupos

Baixo teor de carbono (C < 0.30%) Mdio teor de carbono (0.30 < C < 0.70%)

17


22/128

18

Elevado teor de carbono (0.70 < C < 1.00%)

O ao de baixo teor de carbono, muitas vezes referido como ao macio caracterizado pelabaixa tenso de rotura e elevada ductilidade; no endurecivel por tratamento trmicoexcepto pelo processo de endurecimento superficial.

Pela sua boa ductilidade, os aos macios permitem uma fcil conformao plstica. O

trabalho a frio aumenta a resistncia e reduz a ductilidade, que pode ser recuperada porrecozimento. Estes aos so facilmente soldveis sem perigo de encruamento oufragilizao na zona da soldadura.

Embora no sejam sensveis a tratamentos trmicos, estes aos podem ser endurecidossuperficialmente por tratamentos termoqumicos, que provocam a difuso do carbono nasuperfcie. Quando temperado, obtm-se umasuperfcie dura, resistente ao desgaste.

Os aos macios para baixas temperaturas, usados sobretudo em reservatrios de presso,tm a seguinte composio mdia: 0.20 < C < 0.30%; 0.70 < Mn < 1.60%; 0.15 < Si < 0.60.Estes aos tm uma estrutura granular fina com uma disperso de carboneto uniforme.

Mantm uma moderada resistncia com aceitvel tenacidade at 45 C.

Os aos com mdio teor de carbono so sensveis ao tratamento trmico, em peas comseces finas, ou nas camadas superficiais das seces espessas. A tenso de rotura e adureza podem ser aumentadas por tmpera e revenido, podendo ser ainda elevadas portrabalho a frio. A dureza mais elevada que praticamente se pode obter de HB 550 (HRC55). Em virtude das suas caractersticas esses aos so muito aplicados em estruturas.

Os aos de elevado teor de carbono atingem uma elevada dureza (HB 710); so aosparticularmente aplicveis a peas resistentes ao desgaste.

Os aos de corte fcil ou de fcil maquinagem so aos de baixo e mdio teor de carbonocom adies ou de enxofre (0.08 a 0.13%) ou combinaes de enxofre e fsforo e/ouchumbo, para permitir uma maior maquinabilidade. A adio destes elementos provoca umareduo da maioria das propriedades mecnicas, soldabilidade conformao plstica a frio,etc.

A Tabela 5 apresenta um resumo da composio qumica, caractersticas e aplicaes dosaos sem liga.

A apresenta um resumo de aspectos relevantes da existncia de elementos deelaborao e de impurezas em aos no ligados.

Tabela 6


23/128

Tabela 5

COMPOSIO GENRICAFORMA DECOMERCIALIZAO

CARACTERSTICAS E PROCESSOSTECNOLOGICOS DE FABRICO

APLICAE

AOS

DE

BAIXOT

EOR

DE

ACRBONO

0.07 < C < 0.15%

Mn 0.5%

se 0.6 < Mn < 1%Pb 0.18%

Pormenorizando, por tomadaem considerao do processode desoxigenao:Aos efervescentesC < 0.07%

0.07 < C < 0.15Aos semicalmados0.06 < C < 0.15%Si 0.1%

Aos calmados0.07 < C < 0.15%Si 0.1%Mk 0.5%

Laminado a quente,

recozixo ou normalizado

-----------------------

Varo arame parapregos, rebites, fitas,cabos; varo para betoarmado, bandaslaminadas a quente,tubos chapa estanhada

Baixa resistncia e elevada ductilidadeExcelente aptido para fabrico porforjagem, estacopagem, laminagem,

extruso e soldaduraPodem ser cementados

aos de fcil maquinagem(free cutting steel)

aos de acabamento brilhante e fcilmaquinagem

aos para desformao a frio tubos semcostura

Corresponde(cerca de 90incluem os ch

Construo navios, vecu

fios e belectricidadecorresponde importante

19


24/128

COMPOSIO GENRICAFORMA DE

COMERCIALIZAOCARACTERSTICAS E PROCESSOS

TECNOLOGICOS DE FABRICOA

AOSDEMDIO

TEO

RDEACRBONO

0.3 < C < 0.5%

0.5 < C < 0.65%

So aos destinados a tratamentotrmicos de tmpera e revenido atemperatura relativamente elevada 350 a 550C de modo a obter boaresistncia e tenacidade porglobulizao dos carbonetos.

Podem alcanar elevada resistncia eboa ductilidade se forem submetidos atratamentos termomecnicos em faceaustentica

Tm fraca soldabilidade, requerendopr-aquecimento

Construo estampadasagricolas, resistncia, engrenagen

Carris de camatrizes dpneumticoslminas

AOSDEALTO

TEORDEACRBONO

0.65 < C < 0.75%

0.75 < C < 0.85%

0.85 < C < 0.95%

0.95 < C < 1.1%

1.1 < C < 1.4%

So aos destinados a tratamentotrmicos de tmpera e revenido, com

um alto limite de elasticidade ouelevada dureza para possibilitarresistncia ao desgaste; o revenido,aps tmpera, efectuado atemperaturas relativamente baixas

A tenacidade inferior dos aos demdio teor de carbono.

Tem fraca temperabilidade paraseces reduzidas, havendo tambm operigo de fissurar na tmpera em gua.

Tem um rpido amaciamento paratemperaturas superiores a 350C, oque inibe a utilizao em ferramentasde corte a alta velocidade.

Serras, matoro chav

varo para b

molas, maforjagens;

matrizes gra

lminas de c

pequenas telminas de cveios, pu

parafusos, plminas, ferramentas mandris, feaplainar

20


25/128

Tabela 6 PROVENINCIA, FORMA DE APRESENTAO E CONTRIBUIOPARA AS PROPRIEDADES DOS AOS NO LIGADOS, DOS ELEMENTOS DE

ELABORAO E IMPUREZAS

Elemento PROVENINCIAFORMA DE

APRESENTAOCONTRIBUIO PARA AS

PROPRIEDADES

Si

introduo na gusa pelaescria

adio como agentedesoscidante

soluo slida coma ferrite em teosesde 0.3 a 0.5%

incluses comosilicatos

aumenta ligeiramente adureza e a resistncia semefectuar a ductilidade

reduz a soldabilidade,devendo ter um teor inferiora 0.2% em aos soldveis

reduz a aptido para azincagem a quente poisfavorece a formao dumaliga Fe Zn em detrimento

da camada superficial deZn

Mn

reduo dos xidos demangans no alto forno

Adio para afinaocomportando-se comoagente desoscidante edessulfurante, segundoas reaces:

Fe S + Mu O Mu S + Fe O

Mu + Fe S Mu S + Fe

Soluo slida naferrite

Carbonetos (Mu3 C)associado cementite, tornano-a mais estvel

Incluses de Mu S

Incluses de Mu O

Incluses desilicatos deMangans

Os teores maiscorrentes variamentre 0.2 e 0.9%,devendo ser pelomenos 4 vezessuperior ao valorteoricamente

necessrio para secombinar com o S.

Para baixos teores de Cdissolve-se na ferrite eaumenta a dureza e aresistncia traco,diminuindo a ductilidade

Com teores mais elevadosassocia-se cementitemelhorando a dureza e aresistncia por afinao daperdite

Melhora a temperabilidadese Mu < 0.5%

Em teores adequadospermite por formao deMu S por transformao doFe S evitando defeitos naforjagem e fessurao aquente na soldadura

Al

adio como agentedesoxidante mais eficazque Si

apresenta-se sob aforma de particulasmuito finas dealumina (Al2 O3 )impede oengrossamento dogro fino

dificulta a operao deforjagem

mesmo em muito pequenasquantidades (0.01%) temincidncia sobre aspropriedades do ao

21


26/128

PROVENINCIA FORMA DEAPRESENTAO

CONTRIBUIO PARA ASPROPRIEDADES

S

introduo pelo coque

introduo rara pelosminrios eliminadodurante a elaborao dagusa passado escria(4 a 10% eliminado soba forma de So2 nosprodutos de combustoe o restante

temperatura pelo Mn emMn S).

O teor de S deve serinferior a 0.07%,reduzindo-se para0.01% para aos deelevada qualidade

uma impurezaindesejvel na maioria dasaplicaes

provoca fragilizao aquente para temperaturassuperiores a 900C se aquantidade de Mn paraformar Mn S forinsuficiente e se S > 0.02%

estabiliza a cementite atemperaturas da ordem dos700-750C, mesmo se S 0.1%

para aos de fcilmaquinagem (corte fcil)usa-se aos com S 0.2%,Mu 1.5% e baixo teor defsforo, que produzemgrande fragmentao deaparas.

diminui a forjabilidade e asoldabilidade

enfraquece a resistncia aochoque

afecta a estrico

reduz a resilincia

P

introduo pelosminrios

introduo eventual pelocoque

fios terras emsoluo solida noferro x e no ferro y

na presena de C aprecipitao doeutctico Fe Fe3 Pd-se a partir de

teores superiores a0.07% e provoca asegregao do Pcom efeitosdesfavorveis naspropriedadesmecnicas

uma impurezaindesejvel na maioria dasaplicaes

favorece o crescimento dogro

eleva um pouco a dureza ea resistncia mas torna oao frgil pois aumenta atemperatura de transio

em alguns casos melhora aresistncia corroso

em chapas estanhadas, umteor de 0.08% P evita acolagem das chapas

22


27/128

1.5 Aos Ligados

As limitaes apresentadas pelos aos sem liga para satisfazerem determinadas aplicaesalm de dificuldades inerentes ao processo de fabrico como garantia de homogeneidade eisotropia sobretudo em tratamentos trmicos levaram produo dos aos ligados.

Estes aos so fabricados quase exclusivamente em forno Martin e elctrico por processosanlogos aos dos aos no ligados, sendo o elemento de liga adicionado no final daoperao.

O uso de aos ligados visa a melhoria das propriedades dos materiais, sobretudo ascaractersticas mecnicas. Citam-se algumas dessas propriedades e caractersticas que sepretendem melhorar com o recurso a aos ligados:

resistncia ao desgaste resistncia corroso resistncia fadiga resistncia ao calor propriedades elctricas propriedades magnticas propriedades trmicas resistncia traco limite da elasticidade dureza tenacidade fractura resistncia fluncia elevao da taxa resistncia/peso elevao da taxa 02/r , etc.

Designou-se por aos de liga, os aos que contm o teor de pelo menos um elemento daliga de valor superior ao convencionado, e que consta da fraco.

O ao ser fracamente ligado ou de baixa liga se nenhum elemento atingir o teor 5%.

O ao ser fortemente ligado se pelo menos um dos elementos de liga existir numapercentagem superior a 5%.

Nalguns casos a proporo dos elementos de liga de tal modo elevada que se tornaduvidosa a designao do produto como ao (todo o produto ferroso cujos constituintes soidnticos aos dos aos ligados, isto contm austenite e/ou constituintes no domnio

perltico, bainitico, martenstico e fases intermdias como carbonetos).

1.5.1 Composio Qumica dos Aos Ligados

Alm dos elementos existentes nos aos no ligados- alm do ferro e do carbono oselementos de elaborao e as impurezas, os aos ligados incluem elementos de ligapropositadamente adicionados para atingir diversos objectivos.

Estes elementos podem ser agrupados como elementos alfagneos e elementosgamagneos.

Elementos alfagneos tornam a austenite instvel e reduzem o domnio , isto baixamA4 e elevam a A3.

Cr Mo W Ti Si Al S P Nb B

23


28/128

Elementos gamagneos alargam o domnio austentico, baixando o ponto A3 e elevam oponto A4

Au Pt Zn H N Cn Mn Ni

Vejamos agora com que finalidade so adicionados aos aos os diversos elementos de liga.

para aumentar a resistncia traco: C, Mn, Cr, Ni; para melhorar a maquinabilidade: S, Se; para aumentar a resistncia ao desgaste: Cr, W, Mo, Mn; para aumentar a penetrao de tmpera: C, Mn, Ni, Mo, Cr; para tornar os aos aptos para a tmpera no leo ou no ar: Ni, Mn, Cr, Mo; para diminuir a fragilidade no revenido: Mo, V; para aumentar a resistncia ao revenido: W, Mo, V, Co; para aumentar a resistncia a temperaturas elevadas: W, Mo, V, Co, Cr; para aumentar a resistncia ao desgaste a quente: W, Mo, V, Cr; para aumentar a dureza a temperaturas elevadas e a durao de corte: W, Mo,

V, Cr, para aumentar a resistncia corroso: Cr, Ni, Mo, Cu, Si; para obter e manter estruturas especficas tais como austenite ou ferrite: Ni, Cr,

AI, N; para obter propriedades fsicas particulares como as requeridos pelos mans,

aos amagnticos, aos para aplicaes nucleares: Mn, N, Co, Cr, AI, B;

Devemos notar que teores elevados em elementos de liga podem alargar ou reduzir a zonana qual os aos se encontram no estado austentico. Deste modo, obtm-se aos que nose transformam e por isso so insensveis a qualquer tratamento trmico. Os aos queconservam a sua estrutura austentica atravs de toda a gama de temperaturas quandoarrefecidos desde cerca de 1000C at s mais baixas temperaturas chamam-se aos

austenticos. Por outro lado, chamam-se aos ferrticos aqueles que conservam a suaestrutura ferrtica atravs de toda a gama de temperaturas.

Vamos indicar em seguida a influncia de cada um dos elementos de liga nas propriedadesdos aos.

Convm notar que os elementos de liga quando usados em conjunto com outros podemoriginar nos aos propriedades ligeiramente diferentes das que lhe dariam se usadosisoladamente. Alm disso, parece que os elementos de liga se tomam mais eficazes quando utilizados juntamente com outros, embora tambm surjam combinaes em que oselementos actuam em sentidos opostos.

(1) CARBONO - C

Este elemento o mais importante elemento de liga nos aos. Aumenta a dureza e aresistncia dos aos no estado recozido uma vez que em conjunto como ferro formacarbonetos duros e resistentes ao desgaste.

Nos aos temperados, o carbono est presente em soluo na martensite e provoca astenses internas que so responsveis pela dureza da estrutura.

(2) SILCIO-Si

Este metalide usado essencialmente corno desoxidante. No entanto, frequentementeusado como elemento de liga. Assim, usado: nos aos para molas uma vez que aumenta o

24


29/128

limite elstico; rios aos de tratamento trmico (Si Mn) uma vez que aumenta a resistncia traco e ao desgaste; nos aos refractrios, mas dada a sua dificuldade de maquinagem.tanto a quente como a frio a sua adio limitada (no mximo cerca de 3%). Teores de 12%de silcio permitem a obteno de resistncia aos cidos. No entanto tais peas s podemser realizadas em fundio (dura e muito frgil) cuja rectificao no pode ir alm darectificao m.

O silcio favorece a formao de grafite e restringe o domnio do ferro .

Uma vez que a sua presena diminui a condutividade elctrica, a fora coerciva e as perdasdevidas ao efeito das correntes de Foucault usado nos aos para chapas para mquinaselctricas.

(3) MANGANS - Mn

O mangans tambm um desoxidante. Combinando-se com o enxofre para formarsulfuretos de mangans compensa a influncia desfavorvel dos sulfuretos de ferro, facto

muito importante nos aos de fcil maquinagem para tornos automticos dado que diminui apossibilidade de formao de fissuras a quente.

Este elemento no forma carbonetos, encontrando-se dissolvido na matriz qual confere umaumento de resistncia. O mangans baixa os pontos de transformao Ar3 e Ar1 e diminuiconsideravelmente a velocidade crtica de tmpera, facilitando assim bastante a penetraode tmpera. Aumenta o limite elstico e a resistncia traco.

Teores superiores a 4% Mn originam a formao. de martensite frgil mesmo comarrefecimento lento. Por outro lado, aos com teores superiores a 12% de Mn juntamentecom 1% de carbono permanecem no estado austentico mesmo quando arrefecidos na gua

a partir de 1000 C pois o mangans aumenta a zona . Estes aos apresentam uma grandetendncia para o encruamento por efeito de choque pelo que adquirem grande durezasuperficial mantendo a tenacidade do ncleo. Por isso tm grande resistncia ao desgastepor choque. No se usam teores em mangans entre 4 e 12% dada a formao damartensite frgil.

Os aos com mais de 18% de mangans so amagnticos mesmo aps forte encruamento.O mangans aumenta o coeficiente de dilatao trmica, diminuindo a condutibilidadetrmica e a resistividade elctrica.

(4) CRMIO - Cr

Uma parte do teor deste elemento dissolvida na matriz enquanto outra parte se combinacom o carbono para formar carbonetos. Os carbonetos de crmio aumentam o poder decorte e a resistncia ao desgaste.

O crmio torna o ao apto para ser temperado no ar ou no leo. Diminuindo a velocidadecrtica de tmpera aumenta a penetrao de tmpera enfraquecendo, no entanto, atenacidade.

O crmio favorece a resistncia aco do hidrognio sob presso. Para teores elevadosaumenta a resistncia formao de calamina. Nos aos inoxidveis o crmio que protegeo ferro contra a corroso, no entanto, apenas a parte do crmio, dissolvida na matriz temeste efeito. Para ser inoxidvel o ao ter de possuir um teor em crmio dissolvido na matrizde 13%, no mnimo. O crmio diminui o domnio do ferro e aumenta a zona ferrtica. Nos

25


30/128

aos austenticos Cr Mn e Cr Ni o crmio estabiliza a austenite. Este elemento diminui acondutibilidade trmica e a condutibilidade elctrica assim como a dilatao trmica.

Juntamente com teores elevados em carbono a presena do crmio em teores at 3%aumenta a reminiscncia e a fora coerciva.

(5) NQUEL-NiTal como o mangans este elemento no forma carbonetos, encontrando-se dissolvido namatriz tanto no estado recozido como no temperado.

O nquel aumenta a penetrao de tmpera e a tenacidade dos aos.

Este elemento provoca o abaixamento dos pontos de transformao A1 e A3. Para teoressuperiores a 7% alarga fortemente a zona conferindo aos aos inoxidveis com teorelevado em crmio uma estrutura austentica que se mantm mesmo para temperaturasbastante inferiores temperatura ambiente. Os aos com teores em nquel de 30%conservam a sua estrutura austentica mesmo aps arrefecimento lento. O nquel apenastorna o ao semi-inoxidvel mesmo para teores elevados. Nos aos inoxidveis austenticosCr Ni o nquel aumenta a resistncia aos ataques dos agentes qumicos redutores enquantoo crmio aumenta aquela resistncia aco dos agentes oxidantes.

Para temperaturas superiores a 600 C os aos austenticos possuem boa resistncia aquente em consequncia da sua elevada temperatura de recristalizao. Praticamente noso magnetizveis.

O nquel diminui a condutibilidade trmica e a condutibilidade elctrica. Teores elevados emnquel entram na composio de aos com coeficiente de dilatao trmica insignificante(tipos INVAR).

(6) MOLIBDNIO - Mo

Este elemento um forte formador de carbonetos, entrando na composio dos aosgeralmente combinado com outros elementos (Cr, Mn. N. Co, W, V). Diminui a zona .

Diminui a velocidade crtica de tmpera melhorando a temperabilidade dos aos. Reduz afragilidade por revenido nos aos Cr Ni e nos aos ao Mn e contribui para o afinamento dogro. Aumenta o limite elstico, a resistncia traco e a resistncia a quente. Melhora aspropriedades de corte dos aos rpidos podendo substituir o tungstnio (um dado teor emMo exerce a mesma influncia que o dobro desse teor em W).

O molibednio usado nos aos inoxidveis para aumentar a resistncia corroso e aoataque pelo cido sulfrico. Diminui a resistncia oxidao a quente.

(7) VANDIO - V

O vandio tem grande tendncia a formar carbonetos, que so muito finos. Por esse motivoaumenta a resistncia ao desgaste, a resistncia a quente e o tempo de durao de corte,entrando na composio dos aos rpidos, de trabalho a quente e refractrios.

Aumenta a estabilidade do revenido e a insensibilidade ao sobre aquecimento.

26


31/128

O vandio torna a estrutura do ao mais fina. Dado que aumenta o limite elstico porvezes adicionado em aos para molas. A formao de carbonetos aumenta a resistncia aco do hidrognio sob presso.

O vandio diminui a zona e eleva o ponto de transformao de fase.

(8) TUNGSTNIO - W (VOLFRMIO)O tungstnio exerce sobre as propriedades dos aos uma aco muito semelhante dovandio. Assim, forma carbonetos muito duros e diminui a zona . Melhora a tenacidade, asresistncias a quente e ao revenido e aumenta o tempo de durao de corte. Por isso entrana composio dos aos rpidos, de trabalho a quente e de dureza mxima.

O tungstnio ope-se ao aumento do tamanho do gro.

Aumenta bastante a fora coerciva pelo que elemento de liga importante nos aos paramans.

O tungstnio diminui a resistncia oxidao a quente.

O seu elevado peso especifico explica o aumento do peso especfico dos aos rpidos e dosaos pata trabalhar a quente, em cuja composio entra, relativamente ao peso especificodos outros aos.

(9) COBALTO - Co

O cobalto no forma carbonetos. Favorece a formao de grafite.

Ope-se fortemente ao aumento do tamanho do gro a temperaturas elevadas, melhora a

estabilidade do revenido e a resistncia a quente pelo que entra na constituio dos aosrpidos, para trabalho a quente e refractrios.

Em teores elevados aumenta a remanncia, a fora coerciva e a condutibilidade trmica peloque usado nos aos para mans permanentes de alta qualidade.

Pela irradiao de neutres, transforma-se em istopo radioactivo (60Co) de longo perodopelo que tem que se evitar a sua presena, mesmo como impureza, nos aos utilizados nosreactores nucleares.

Vamos referir seguidamente algumas caractersticas de outros elementos que embora

menos frequentemente, tambm surgem na composio dos aos. Como se ver, a maiorparte so desoxidantes mas podem em certos casos beneficiar certas caractersticas dosaos assim como muitas vezes as podem prejudicar. Normalmente no aparecem nos aospara ferramentas.

(10) ALUMNIO - AI

o desoxidante mais poderoso e de utilizao mais corrente.

Fixando o azoto evita grandemente a sensibilidade ao envelhecimento. Em pequenos teoresafina a gro. Dada a sua grande tendncia para formar nitretos, que so muito duros, o

alumnio utilizado em aos de nitrurao. Entra por vezes na composio de aosrefractrios dado que confere uma certa resistncia oxidao.

27


32/128

Reduz a zona . Como aumenta a fora coerciva usado nas ligas Fe-Ni-Co-Al para manspermanentes.

(11) AZOTO-N

A aco deste elemento tem aspectos teis e prejudiciais. Como elemento de liga (aco

benfica) aumenta a zona y e estabiliza a austenite. Nos aos austenticos aumenta-lhes aresistncia, o limite elstico e as caractersticas mecnicas a quente. Pela formao denitretos pode obter-se uma pelcula superficial dura e resistente ao desgaste (nitrurao).

Como impureza (aco prejudicial) diminui a tenacidade em consequncia de precipitaes,provocando a sensibilidade ao envelhecimento e a fragilidade conhecida por doena deKrupp que se produz a 350-550 C. Nos aos sem liga ou de pequena liga provoca acorroso intergranular, que origina fissuras.

(12) BERLIO-Be

Desoxidante enrgico, tem grande afinidade com o enxofre. Reduz fortemente a zona . utilizado com o fim de se obter a tmpera estrutural (endurecimento por precipitao),diminuindo no entanto a tenacidade.

Raramente entra na composio dos aos.

(13) BORO - B

Este metalide usa-se como elemento de adio nos aos para dispositivos de controle e deproteco de pilhas atmicas dado que tem uma larga seco eficaz de absoro deneutres.

Melhora extraordinariamente a temperabilidade dos aos. Usa-se em aos com teores emcarbono entre 0,30 e 0,50%. Para teores superiores a 0,60% de carbono no se recomendaa sua adio dado que a sua aco inversamente proporcional ao teor em carbono. A suainfluncia no aumento da temperabilidade, para um ao com 0,40% de carbono de 75vezes a do Cr, 150 vezes a do Mn e 400 vezes a do Ni.

Embora a sua aco se dirija no sentido duma intensificao da aco dos outros elementoscomponentes do ao prefere-se usar teores mnimos em Boro e elevar-se o teor dos outroselementos.

(14) CLCIO - Ca

Usa-se como desoxidante juntamente com o Si. tambm um dessulfurante. Melhora aresistncia oxidao a quente dos materiais condutores de calor.

(15) CRIO-Ce

Forte desoxidante, tambm um dessulfurante e diminui o contedo em microincluses.

Normalmente utiliza-se conjuntamente com as terras raras (lantano, neodmio, praseodmio).Em certos aos de muita liga melhora a sua aptido para a deformao a quente e aumentaa resistncia oxidao a quente nos aos refractrios.

(16) CHUMBO - Pb

28


33/128

adicionado aos aos de fcil mecanizao para tornos automticos em teores de 0,2 a0,5% uma vez que no se dissolvendo no ao se apresenta em suspenso fina o quepermite a obteno duma apara curta e superfcies de corte perfeitas; melhora amaquinabilidade.

Deve notar-se que os teores acima indicados no exercem qualquer efeito sobre as

caractersticas mecnicas dos aos.(17) COBRE-Cu

Aumenta o domnio . Aumenta o limite elstico e a relaotraoaresistnci

elsticolimite=

b

s .

Para teores superiores a 0,3% pode causar endurecimento por precipitao. Aumenta apenetrao de tmpera.

Nos aos inoxidveis de muita liga adies superiores a 1% de cobre melhoram a resistncia

aos cidos clordrico e sulfrico.S raramente entra na composio dos aos dado que o seu teor debaixo da pelcula decalamina se enriquece e, penetrando nas juntas dos gros, torna a superfcie frgil aquandoduma deformao a quente.

Portanto, acima de tudo um elemento prejudicial aos aos.

(18) ENXOFRE-S

De todas as impurezas o enxofre aquela que origina as mais fortes segregaes. Osulfureto de ferro provoca fissuras a quente uma vez que o seu eutctico, que tem baixoponto de fuso, envolve os gros como se fosse uma rede reduzindo consideravelmente asua coeso de tal modo que as juntas dos gros tendem a separar-se aquando doforjamento. Esta situao agrava-se ainda mais pela aco do oxignio. Por isso se procurafixar o enxofre pela adio de outros elementos, sobretudo do mangans, uma vez que osulfureto de mangans tem o ponto de fuso elevado e reparte-se pelas juntas dos gros emforma de pontos e no de rede; o sulfureto de mangans a menos prejudicial de todas asincluses.

O enxofre includo nos aos de fcil mecanizao para tornos automticos dado que ossulfuretos finamente dispersos rompem a coeso metlica e facilitam a maquinagem no sporque originam aparas curtas mas tambm porque actuam como lubrificantes no gumecortante da ferramenta diminuindo a frico entre a ferramenta e a pea a maquinar.

O enxofre aumenta a tendncia fissurao durante a soldadura.

(19) FSFORO-P

Na maioria dos casos considerado com impureza prejudicial ao ao unia vez que temtendncia a formar segregaes primrias durante a solidificao do lingote e,posteriormente, a originar segregaes secundrias no estado slido em virtude de reduzira zona . Possuindo uma pequena velocidade de difuso nas zonas e , estassegregaes so difceis de eliminar. Como uma repartio homognea do fsforo no possvel. prefere-se reduzir ao. mnimo a sua presena nos aos.

29


34/128

Mesmo em teores pequenos o fsforo aumenta a sensibilidade fragilidade por revenido. Afragilizao aumenta com o teor em carbono, com a elevao da temperatura, de tmpera ecom aumento do tamanho do gro donde resulta a fragilidade a frio e a sensibilidade aoefeito dos choques.

Nos aos de construo de pequena liga com teor em carbono de cerca. de 0,1 % o fsforo

aumenta a resistncia traco e oxidao por aco atmosfrica, especialmente emunio com o cobre.

Nos aos austenticos, adies de fsforo podem melhorar o limite elstico e produzir efeitosde precipitao.

(20) MAGNSIO - Mg

um desoxidante e um dessulfurante. Este elemento utilizado para obteno de fundioesferidal (com grafite esferidal).

(21) NIBIO - Nb e TNTALO -Ta

Estes dois elementos apresentam-se sempre associados sendo utilizados em comum dadoa dificuldade em os separar.

Aumentam o domnio e reduzem o domnio .

So fortes formadores de carbonetos pelo que so utilizados como estabilizadores nos aosresistentes aos cidos, inibindo a corroso intergranular.

Como o Nb aumenta a resistncia a quente adicionado nos aos refractrios austenticos.

O tntalo tem uma larga seco de absoro de neutres pelo que se adiciona aos aospara reactores nucleares apenas o nibio empobrecido em tntalo.

(22) SELNIO - Se

Este metalide melhora a maquinabilidade dos aos de fcil mecanizao para tornosautomticos ainda mais que o enxofre. Contrariamente, diminui menos que o enxofre aresistncia corroso.

(23) TITNIO - Ti

Reduz fortemente a zona -1. Contribui para o afinamento do gro.Em face da sua grande afinidade com o O, o N, o S e o C este elemento um fortedesoxidante, combinando-se tambm com o enxofre.

Sendo um grande formador de carbonetos adicionado nos aos inoxidveis para evitar acorroso intergranular

Em teores elevados origina precipitaes. adicionado nas ligas para mans permanentesdado que aumenta a fora coerciva.

Tem grande tendncia formao de segregaes e de estruturas em banda.

(24) ZIRCNIO - Zr

30


35/128

Diminui o domnio . Este elemento forma carbonetos. um desoxidante, um desnitrurante eum dessulfurante. Nos aos com enxofre calmados de fcil mecanizao para tornosautomticos so usadas adies de zircnio por terem um efeito favorvel na formao desulfuretos, evitando a fissurao. a quente.

Finalmente vamos dar algumas caractersticas dos elementos considerados impurezas e

cuja aco sempre prejudicial s caractersticas dos aos.(25) ANTIMNIO - Sb

Impureza prejudicial que diminui a tenacidade. Diminui o domnio .

(26) ARSNIO - As

Este elemento diminui a zona . Tal como o fsforo tem tendncia a formar segregaes cujaeliminao por recozido de difuso muito

Aumenta a fragilidade por revenido, diminui a tenacidade e a soldabilidade. No se usacomo elemento de adio.

(27) ESTANHO - Sn

Impureza prejudicial. Diminui o domnio . Tem tendncia a formar segregaes. Tal como oCu enriquece-se debaixo da camada de calamina e, penetrando nas juntas dos gros,provoca fissuras e fracturas de soldadura.

(28) HIDROGNIO-H

Diminui o alongamento e a estrico, favorece a fragilizao sem todavia aumentar o limiteelstico e a resistncia traco.

o responsvel pela formao de flocos e de linhas de segregaes. 0 hidrognioatmico produzido na decapagem introduz-se no ao e provoca chochos. A temperaturaselevadas descarboniza o ao.

(29) OXIGNIO - O

A sua influncia especfica depende do tipo e da forma dos seus compostos assim corno dasua repartio no ao.

Diminui as caractersticas mecnicas sobretudo a resilincia, especialmente no sentidotransversal. Aumenta a tendncia para a fragilizao por envelhecimento e favorece afissurao a quente.

(30) INFLUNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS PONTOS CRTICOS DO DIAGRAMADE EQUILIBRIO Fe-C

Como se disse, cada um dos elementos de liga tem uma influncia particular nodeslocamento dos pontos crticos. As figuras seguintes pretendem mostrar essa influncia.

Assim a Figura 9 mostra a influncia de alguns elementos no deslocamento do ponto A1. Por

sua vez a Figura 10 mostra a influncia do teor de vrios elementos de liga sobre o teor emcarbono correspondente composio eutectide dos aos.

31


36/128

Figura 9

Figura 10

A Tabela 7 resume o efeito dos elementos de liga nas propriedades dos aos.

32


37/128

Tabela 7 Efeito dos elementos de liga nas propriedades dos aos

33


38/128

1.5.2 Microestrutura dos Aos Ligados

Os microconstituintes que podem estar presentes nas estruturas dos aos ligados so osmesmos dos aos no ligados, isto , ferrite, cementite, perlite, bainite martensite, austenite,carbonetos mais ou menos complexos e em certos aos fortemente ligados, o eutcticoledebritico. A formao e permanncia de um ou de outro destes constituintes ou de mais

de um depender da natureza e do teor dos elementos presentes e da sujeio ou no atratamentos trmicos.

Embora seja difcil prever a microestrutura fundamental de um ao em funo do elementode liga, possvel fazer uma previso aproximada com recurso aos diagramas de Guillet,que mostram a microestrutura de aos ligados deixados arrefecer em ar calmo apsaustenizao, em funo do teor de carbono e do teor do elemento de liga. A figuraapresenta alguns desses diagramas; as zonas a tracejados apresentam faixas de difcildefinio entre os microconstituintes contguos ou zonas de aparecimento de produtosintermedirios.

Quando o elemento de liga um elemento carborigeno, a rea dos carbonetos aparece naregio superior direita do domnio austentico, podendo tambm invadir o domnio de outrosconstituintes, aparecendo ento os carbonetos precipitados numa matriz cuja estrutura serum destes constituintes.

1.5.2.1 Aos Perlticos

So aos em que a fase perltica predominante. Pertencem a este grupo de aos osseguintes:

Aos com Si Aos com Ni at 10% e baixo teor de C Aos com Mn at 5% e baixo teor de C Aos com Cr ~2 a 6% com elevado teor de C

Estes aos com Cr ~2 a 6% so extremamente sensveis velocidade de arrefecimento e temperatura de austenizao antes da tmpera. Esta sensibilidade resulta do aumento desolubilidade de carbonetos na austenite, com a temperatura; O Cr dissolvido eleva Ac e Armas com velocidades rpidas de arrefecimento abaixa Ar mas com velocidades rpidas dearrefecimento com o consequente endurecimento do ao. A percentagem de carbono naperlite destas ligas inferior existente nos aos de carbono (o eutectoide est deslocadopara a esquerda), havendo uma maior quantidade de cementite livre nos aos de elevadoteor de carbono, o que quando o ao correctamente tratado, faz com que a cementite

aparea globulizada.

1.5.2.2 Aos Ferrticos

So aos em que a fase ferrtica predominante como resultado da presena de elevadospercentagens de elementos alfagneos como o Cr e o Si e baixo teor de C. Estes aos noso temperveis porque o ferro no sofre transformao alotrpica por arrefecimento.

Pertencem a este grupo de aos os seguintes:

Aos com elevados teores de Si

Nestes aos o Si provoca um endurecimento da ferrite

34


39/128

Aos com Cr

Cr ~ 13% Cr ~ 17% Cr ~ 25 1a 30% (o ao com Cr conhecido o de teor Cr ~25%)

So resistentes a corroso em diversos meios agressivos sob tenso, como por exemplo na

presena de ies Ce-

.Para teores de 22


40/128

Estes aos so frgeis, mas muito resistentes ao desgaste. O quadro mostra algumascomposies de aos ledebriticos usados em ferramentas de corte e maquinagem a altavelocidade e por arranque de apara, com buris, brocas, fresas, etc.

Tabela 8 Composio qumica de alguns aos ledeburiticos

% C W Cr V Mo0.75 18 4 1.5 1

0.75 12 4 2 2

0.75 6 4 1.5 6

0.85 2 4 1.5 8

1.20 11 4.5 3 0.5

As propriedades destes aos designadamente a dureza so melhoradas por tratamentostrmicos.

A designao destes aos provem do facto de durante o fabrico a partir dos lingotes, ocomplexo eutctico de carbonetos e austenite tornar estes aos assimilveis ao ferro fundidobranco.

1.5.2.5 Aos de baixa liga

Os aos de baixa liga, so grosseiramente definidos como aos cujos os elementos da ligatm teores inferiores a 5%.

Os elementos de liga mais correntes so o Ni, Cr e Mo. As propriedades mais procuradasem aos de baixa liga so a dureza e a resistncia traco, o que se consegue portratamentos trmicos e por variao do teor de carbono.

Tal como nos aos no ligados, o carbono tem um papel fundamental pois combinando-secom os restantes elementos de liga forma carbonetos metlicos finamente divididos, quemelhoram as propriedades mecnicas dos materiais.

De notar que a aplicao de tratamentos trmicos de endurecimento prejudica a tenacidadea fractura, o que poder ser inconveniente. Existem aos de liga para aplicaes de baixa

temperatura reservatrios de presso e tanques), com um teor de carbono de 0.12 a 0.20%e teores de Ni de 2.25, 3.50 ou 9% (este ltimo j fora da classificao arbitrria de baixaliga).

Tambm justificam uma referncia aos com 0.5 a 4.5 Si, designados como aos paraelectricidade, com boas propriedades magnticas (elevada permeabilidade magntica),elevada resistncia elctrica e baixa perda por histeresis e por correntes de Foucault(aplicvel em transformadores, motores e geradores).

1.5.2.6 Aos Vazados

A natureza geral e caracterstica dos aos vazados comparvel dos aos de casoformao plstica; aos vazados e forjados de composio qumica equivalente respondemde maneira semelhante ao tratamento trmico e tm propriedades semelhantes; maior

36


41/128

diferena que o ao vazado tende para uma maior isotropia, isto , tende para uma maioruniformidade nas propriedades, que no caso das ligas forjadas dependem da direco ouorientao do trabalho a frio ou a quente.

Embora sejam divididos como aos vazados de baixo, mdio e elevado teor de carbono, asua especificao faz-se atravs das propriedades mecnicas, principalmente a tenses de

rotura traco.Uma das formas mais correntes de especificar aos vazados, a norma DEN 1681, em queos aos so designados por GSxx, sendo a indicao numrica correspondente ao valormnimo da tenso da rotura.

1.5.2.7 Aos de alta resistncia

Esta classificao arbitrria compreende os aos de baixa liga e alta resistncia (BLAR), osaos temperados e revenidos de alta resistncia e os aos extra resistentes. As tenses derotura vo de 480N/mm2 mas BLAR a 2700 N/mm2 nos aos extra resistentes.

1.5.2.7.1 Aos BLAR

Em geral contm 0.05 a 0.33%C e 0.2 a 1.65% de Mas alm de pequenas adies de outroselementos como Cr, Co, Cu, Mo e Ni, que se dissolveram numa estrutura ferrtica, quepermite uma elevada tenso de rotura traco e elevada resistncia corroso, pelomenos pelos agentes atmosfricos. Tambm tm uma elevada tenso de cedncia, e boasoldabilidade

1.5.2.7.2 Aos Temperados e Revenidos de Alta Resistncia

Estes aos tm um baixo teor de carbono, at 0.2% com uma tenso de cedncia de 552N/mm2 a 860N/ mm2.

Como a designao indica, so fornecidos com tratamentos trmicos, o que limita o posteriortrabalho a frio, e a soldadura.

Estes aos so ainda bastante recentes, existindo pouca informao disponvel sobre eles.

As propriedades mecnicas so significativamente influenciadas pela rea e configurao daseco resistente. A dureza controlada pelos elementos de liga. De uma forma grosseirapodemos dizer que um aumento no teor dos elementos de liga, compensam o aumento daseco, referente tenso de rotura e tenacidade.

1.5.2.7.3 Aos extra Resistentes

So aos com a mais elevada tenso de rotura, que pode exceder 1400 N/mm2, atingindo2700 MPa, foram inicialmente desenvolvidos para a indstria aeroespacial e tm umaelevada razo resistncia/ peso.

Existem mais de 100 variedades, algumas diferindo bastante entre si em composio e nomodo porque essa resistncia elevada obtida.

Alguns destes aos derivaram dos aos de baixa liga com mdio teor de carbono, como os

aos Cr Mo (AISI 4130) e Cr Ni Mo (AISI 4340). So bastante usados onde sejampretendidas seces espessas, porque tm boas caractersticas mecnicas, com preosrelativamente baixos.

37


42/128


43/128

Tabela 9

39


44/128

1.5.2.8 Aos Inoxidveis

Os aos inoxidveis constituem uma grande famlia de ligas Fe Cr, especialmenteconhecidas pela sua resistncia corroso motivada pela aco dos agentes atmosfricos eagentes qumicos; so tambm identificados por no apresentarem o vulgar tipo de"ferrugem". Esta capacidade de resistncia corroso atribuvel formao de um filme

superficial de xido de crmio que se forma na presena de oxignio; este filme essencialmente insolvel, auto-regenerado e no poroso. A formao do filme de xido decrmio requer que a liga contenha pelo menos 12% de Cr. O teor de Cr pode ir at 30%,dependendo das aplicaes. Os outros elementos usados nestas ligas so o Ni, Mo, Si, AI,Cu, Co, Nb, Ta, Ti, N, etc.

Estas ligas so tambm resistentes aos efeitos do calor, mantendo as propriedadesmecnicas a temperaturas mais elevadas que outros aos.

Quanto microestrutura, os aos inoxidveis classificam-se em: austenticos, ferrticos emartensticos endurecidos por precipitao.

De notar que a designao corrente de "ao inoxidvel" no totalmente correcta, pois ograu de oxidao largamente dependente do ambiente ou fluido em presena; toma-seassim mais adequado falar em "aos resistentes corroso".

As classificaes mais correntes destes aos, so as da AISI e as constantes da norma DIN17440; a Tabela 10 apresenta alguns elementos sobre aos inoxidveis mais correntes emaplicaes navais.

1.5.2.8.1 Resistncia corroso

Uma vez que os aos inoxidveis devem a sua resistncia corroso, presena de umacamada de xido, que torna os aos passivos, importante saber os factores que promovema sua formao: como j foi dito anteriormente, o Cr contribui definitivamente para aspropriedades anticorrosivas; o mesmo acontece com o AI, o Si e o Ni em teores de 6 a 8%,que alargam a gama de ambientes possveis (alm de compensarem as propriedadesdegradadas pelo crmio). O Mo benfico nas qualidades dos aos austenticos emartensticos, aumentando a resistncia corroso por picadas na presena de guasalgada.

Quando o teor de carbono elevado (prximo dos 0.20%) produz precipitao decarbonetos nas fronteiras dos gros, se a liga for aquecida durante longos intervalos de

tempo entre os 425 e os 870 C; esta precipitao reduz a resistncia corroso atemperaturas ordinrias.

A resistncia corroso em ambientes quimicamente agressivos depende da presena decondies oxidantes. Tm boa resistncia aos cidos nitrico e crmio, mas no so atacadospelos cidos hidroclrico e hidrofluorico, que so redutores por natureza. Alguns soatacados por cido sulfrico, outros no. Os aos inoxidveis so atacados por saishalogenados - cloretos, brometos, fluoretos e iodetos.

Como se disse anteriormente, a manuteno das boas qualidades em servio exige apreservao da camada de xido, por conseguinte as superfcies devem ser limpas, macias,livres de contaminao por substncias estranhas como sujidade, gordura e partculasmetlicas provenientes de operaes de fabrico.

40


45/128

1.5.2.8.2 Funo dos principais elementos de liga nos aos inoxidveis

(a) Crmio

O Cr desempenha um papel fulcral nos aos inoxidveis. Como se disse, necessrio umteor de 12% Cr para que o ao adquira superficialmente um carcter passivo, tornando-o

resistente ao ataque de diversos meios. medida que aumenta o teor de Cr, aumenta a suaresistncia corroso; teores de 25% de Cr conferem ao ao resistncia oxidao a altatemperatura.

O Cr um elemento alfagneo e portanto tende a suprimir a reaco - (ferrite -austenite), conforme se pode verificar na Figura 11

Figura 11

(b) Carbono

O carbono um elemento gamageneo, provocando um alargamento do domnio austenticoe originando a formao de diversos tipos de carbonetos.

(c) Nquel

O Ni, como o carbono um elemento estabilizador do domnio austentico, aumentandotemperabilidade do ao.

A existncia de Ni e Cr nos aos provoca estruturas diferentes consoante os respectivosteores, bem como o teor de C.

Uma forma de apresentar a relao dos teores de Ni, Cr e teores equivalentes de outroselementos, a correspondente microestrutura o diagrama de Schaeffler (Figura 12)

O nquel aumenta a resistncia corroso.

41


46/128

Figura 12 Diagrama de SchaefferCr eq=%Cr+%Mo+1,5x%Si+0,5x%Co

Ni eq=%Ni+30x%C+0,5xMn

(d) Molibdnio

O molibdnio um elemento alfagneo desempenhando um papel semelhante ao do Cr. OMo particularmente efectivo em meios contendo Cl- ou cidos redutores, em relao aosquais a sua passividade mais elevada do que o crmio.

O Mo aparece nos aos inoxidveis austenticos; contribui para um aumento da ductilidadeda austenite a temperatura elevada, reduzindo a susceptibilidade do ao fissurao aquente, durante a operao de soldadura.

(e) Outros

Mn - aumenta a estabilidade da austenite nos aos Ni Cr

Si - aumenta a resistncia oxidao a temperaturas elevadas mas reduz a soldabilidade

AI - semelhante ao Si

Ti - um forte formador de carbonetos; evita a formao de carbonetos de crmio deprecipitao indesejvel nas fronteiras dos gros. Aumenta portanto a soldabilidade dosaos inoxidveis

Cb, Nb - aco semelhante ao Ti

42


47/128

1.5.2.8.3 Propriedades dos Aos Inoxidveis

Alm das j referidas propriedades de resistncia corroso, os aos inoxidveis oferecemuma larga gama de propriedades mecnicas quer na condio de recozido, quer nacondio de encruado ou de temperado.

Os aos inoxidveis austenticos com teores de C inferiores a 0.15% e teores de Crsuperiores a 16% apresentam um excelente comportamento a temperaturas, sendosuplantados pelas superligas e pelos metais refractrios. Deve-se notar que devido aoselevados coeficientes de expanso e baixa condutibilidade trmica, a ductilidade atemperaturas elevadas e a resistncia ao choque trmico, so fracos.

Os aos austenticos tm elevada ductilidade na condio de recozido e mantm boaductilidade e tenacidade fractura a baixas temperaturas at 195C. Em geral no somagnticos, podendo nalguns casos ter algum magnetismo; tornam-se mais magnticosaps trabalho a frio intenso.

Os aos inoxidveis so conformveis a frio sendo usados em estampagem; no sofremtransformao quando aquecidos ou arrefecidos logo no so temperveis, isto , a suaestrutura austentica no pode ser transformada por tratamento trmico.

A deformao a frio provoca encruamento.

As peas devem ser usadas com bom acabamento, com superfcie brilhante polida, ouequivalente.

Os aos inoxidveis ferrticos tm teores de Cr compreendidos entre 10.5 e 27%; tem baixosteores de carbono, no so endurecidos nem revenidos por tratamento trmico e soapenas moderadamente endurecidos por trabalho a frio. So magnticos, mantm a suamicroestrutura bsica at ao ponto de fuso e mantm um nvel de propriedades mecnicasaceitveis at 40 C. Tm uma tenso de rotura traco relativamente elevada.

Os aos inoxidveis ferriticos tambm devem ser usados polidos.

Os aos inoxidveis martensticos contem 11.5 a 18% de Cr, alm de pequenaspercentagens de outros elementos. So aos magnticos a sua estrutura pode sertransformada, logo podem ser temperados e revenidos por tratamento trmico e tm elevadaresistncia, boa tenacidade e dureza, quando temperados e revenidos; na situao derecozidos podem ser forjados; mantm boas propriedades mecnicas at 40 C.

So aos menos resistentes corroso que os ferrticos e os austenticos. Estes aosinoxidveis tambm devem ter acabamento polido ou esmerilado.

Os aos inoxidveis endurecidos por precipitao, de conformao plstica tm uma elevadaresistncia, obtida por tratamentos trmicos e com temperaturas relativamente baixas, o quefavorece a ausncia de distores em peas de preciso.

A composio destes aos permite a tmpera por dois mecanismos diferentes;transformao da austenite em martensite ou tratamento de envelhecimento que precipita oscomponentes intermetlicos duros, fazendo simultaneamente um revenido martensite.

Dum modo geral todas as qualidades de aos inoxidveis so maquinveis, mas osmartensticos so os melhores.

43


48/128

Os aos vazados com igual composio, tm propriedades mecnicas idnticas aos deconformao plstica.

A Tabela 10. apresenta a composio qumica e as propriedades mecnicas de alguns aosinoxidveis mais correntes em engenharia naval.

Tabela 10 Aos Inoxidveis - Composio qumica e propriedades mecnicas(alguns aos adequados para aplicaes navais)

AISI DIN 17440 max C Cr NimaxMn

MomaxSi

max Pmax

S304 (a) (x) X5CrNi 18/9 0,08 19-20 8-12 2 1 0.045 0.03 483-621 172-276 50-60 60-75 B 80 250 140 155 152 152304L (a) (x) 0,03 18-20 8-12 2 1 0.045 0.03 483-621 172-276 50-60 60-75 B 76 250 140 155 152 152316 (a)(x) (b)

X5CrNiMo 18/10X5CrNiMo 18/12

0,08 16-18 11-14 2 2-3 0.75 0.03 0.03552-6552000 (f)

207-310

40-60 55-70 B 80 280 180 1170 152

316 L (x) X2CrNiMo 18/10 0,03 16-18 11-14 2 1 0.04 552-655 207-310 45-66 55-70 B 76 280 180 1170 152302 (a) (c)(b)

X12CrNiMo 18/8 0,15 17-19 8-10 2 1586-621

760255500

50-6010-20

65-

B 80 B240

240 140 155 152 152

321 (a) (x) X10CrNiTi 18/9 0,08 17-19 9-12 2 1 (d) 600 240 55 65 B 80347 (a) (x) X10CrNiNb 18/9 0,08 17-19 9-12 2 1 (e) 635 240 50 65 B 84 280 230 1400 152 132430 (a) (y) 0,12 16-18 1 1 0.04 0.03 460 320 30 60 B 82 280 60 630 49 3431 (a)(z) 0,20 16-19 1.25-2.01 1 0.04 0.03 862 655 20 60 C 24

Observaes:r, p, fl1, o [Mpa] (d) % Ti = 5 x % C min (g) temperatura ambiente (x) Austenitico

Todos os aos desta tabela tm ~ 200 Mpa (e) %Nb = 8 x % C min (h) 0,0001% a 540C (y) ferritico(a) Recozido (b) Encruado (c)Vulgarmente designado por 18-8 (f) arame e barra (I) A5 (z) Martensitico

COMPOSIO QUMICAr(y)

Er%

(50mm)p

(0.2%)

r-185C

Resil.[m.N]20C

Izod-185C

Reduode Area

%DHr f(h)

DESIGNAO

Tabela 11 Aos inoxidveis - Algumas propriedades

ClassificaoAISI 302 304 304L 321 316 316L 430 431

Calor especficocal gr/C (a)

0.125 0.123 0.123 0.126 0.120 0.120 0.126 0.122

Cond. trmica unidcg

Documents

TECNOLOGIA NAVAL - PARTE 3.pdf