Ciência e Engenharia de Materiais I
Introdução aos Materiais
3 aula – Aços ligados e ferros fundidos
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Licenciatura em Engenharia e Gestão Industrial
fundidos
• Para que servem os elementos de liga?
-Retardam a transformação da austenite
-Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro
-Impedem o crescimento do grão durante a austenitização
-Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz
Aços – Elementos de liga
-Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz
-Formam óxidos protectores à superfície dos aços
-Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)
-Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento
• Retardam a transformação da austenite
Aços – Elementos de liga
-A presença de alguns elementos em solução sólida na austenite estabilizam-na, isto é, tornam mais difícil a sua transformação.
-Há diagramas onde podem ser analisadas as transformações que sofre a austenite durante o arrefecimento (TAC – transformação em arrefecimento contínuo).
• Retardam a transformação da austenite
Aços – Elementos de liga
-Exemplo real de diagrama TAC
• Retardam a transformação da austenite
Aços – Elementos de liga
-Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos
Aço ao carbonoAço Ligado
• Retardam a transformação da austenite
Aços – Elementos de liga
-Os elementos de liga dão origem a TACs mais deslocados para a direita, ou seja, possibilitam obter as mesmas estruturas com arrefecimentos mais lentos
AÇO AISI 4340 C0,42% C, 0,78% MN, 1,79 NI, 0,80%
CR E 0,33% MO
AÇO AISI 5140 0,43% C, 0,68% MN E 0,93% CR
• Retardam a transformação da austenite
Aços – Elementos de liga
-Propriedades mecânicas após arrefecimento
Como o interior das peças
arrefecem a uma taxa menor que
o exterior, é mais difícil obter as
estruturas bainite e martensite e
as durezas são menores. Como os
elementos de liga permitem obter
estas estruturas com
arrefecimentos menos violentos, a arrefecimentos menos violentos, a
dureza é constante até ao interior
da peça.
1050 e 1080 – aços ao carbono
(0,5 e 0,8 %pd C.
4340 – aço de alta liga
• Podem formar carbonetos mais facilmente que o ferro
Aços – Elementos de liga
-Num aço ligado podem formar-se carbonetos durante a sua obtenção.
-Os carbonetos mais estáveis são de difícil dissolução (de V, W, Ti). Precisam de temperaturas mais elevadas para se dissolverem na austenite
-No entanto, os carbonetos podem ter um papel importante ao impedirem o crescimento do grão austenítico.
-Para que os elementos de liga retardem a formação da austenite, têm que estar dissolvidos na matriz. Então é necessário dissolver os carbonetos.
• Impedem o crescimento do grão durante a austenitização
Aços – Elementos de liga
-Ao fixarem-se nas fronteiras de grão impedem o crescimento do grão
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15
20
Nº
de
grã
os
inte
rsec
tad
os
Aço de alta liga
Aço de alta ligaCarbonetos muito estáveis
-O comportamento mecânico depende do tamanho de grão. Se o grão de austenite for grande, também o será nas fases nas quais ela se transforma, logo piores propriedades mecânicas
-Quando os carbonetos se dissolvem, os elementos de liga ficam inseridos na austenite em solução sólida
5
10
Nº
de
grã
os
inte
rsec
tad
os
Temperatura de austenitização ºC
1100 1150 1200 1250
Aço de baixa liga
• Endurecem o aço quando estão em solução sólida na matriz
Aços – Elementos de liga
-Quando se dissolvem na matriz dão origem a um endurecimento do material
-Endurecimento por solução sólida. Um bom exemplo da utilização deste fenómeno é nos aços-mola que têm teores de Si muito elevados.
• Formam óxidos protectores à superfície dos aços
Aços – Elementos de liga
� Aços inoxidáveis – Grupo de ligas ferrosas que contêm mais de 11% Cr e que têm uma resistência à corrosão elevada.
� Para que o Cr tenha efeito é necessário encontrar-se em solução sólida no ferro.
� Devido à muito elevada afinidade para o oxigénio, o Cr oxida-se preferencialmente em relação ao Fe, formando uma camada superficial de Fe-O que protégé o aço da corrosão e da superficial de Fe-O que protégé o aço da corrosão e da oxidação.
� Classes de aços inoxidáveis:
• Ferríticos
• Martensiticos
• Austeniticos
• Endurecidos por precipitação
• Com estrutura duplex
• Formam óxidos protectores à superfície dos aços
• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)
Aços – Elementos de liga
-Aços inoxidáveis ferriticos (Cr alfagénio, estabiliza a ferrite)
-Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos
• Formam óxidos protectores à superfície dos aços
• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)
Aços – Elementos de liga
-Aços inoxidáveis martensíticos (teores mais baixos de Cr ~13 %Cr)
-Se o arrefecimento não for sufcientemente rápido pode haver precipitação de carbonetos
Aços – Elementos de liga• Formam óxidos protectores à superfície dos aços
• Alteram a estrutura dos aços (gamagénios e alfagénios)
-Aços inoxidáveis austeníticos (Ni, gamagénio, estabiliza a austenite)
-Mesmo para teores baixos de carbono pode levar à precipitação de carbonetos durante o arrefecimento
• Aços inoxidáveis
Aços – Elementos de liga
-Problemas de falta de resistência à corrosão
-Em qualquer tipo de aços inoxidáveis pode haver precipitação de carbonetos, logo é retirado Cr da matriz.
-A existência de duas soluções sólidas com teores de Cr diferentes promove a corrosão do Fe. Uma das zonas fica com menos Cr e deixa de estar protegida
-Distribuição do Cr no corte X-Y -Precipitação de carbonetos na fronteira de grão
• Aços inoxidáveis
Aços – Elementos de liga
-Resolução dos problemas de falta de resistência à corrosão
-Arrefecer rapidamente na gama de temperaturas em que se dá a precipitação dos carbonetos. Nem sempre é fácil (p.ex. em soldaduras)
-Diminuir o teor de C o mais possível. Nem sempre isto é fácil e perdem-se propriedades mecânicas (p.ex. o 304 e o 304 L – passa de 0,1 para 0,03% C)
-Recozer as peças que sofreram precipitação (sensibilizadas). Difícil de realizar pois para se dar a homogenização do Cr são necessários tratamentos de mais de 1000 h de duração)
-Adicionar elementos que tenham afinidades muito grandes para o carbono. P.ex. Ti, Mo ou Nb
• Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento
Aços – Elementos de liga
-Aços ferramentas (tratamento de revenido)
-Durante o aquecimento posterior de uma aço com estrutura martensítica, o carbono “em excesso” na martensite dá origem à precipitação de carbonetos. Com alguns elementos de liga estes carbonetos precipitam muito finamente e conseguem manter, ou mesmo aumentar (endurecimento secundário) a resitência mecânica do aço.
CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FERRAMENTA DE ACORDO COM A UTILIZAÇÃO
-AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIOSão aços que se destinam ao fabrico de ferramentas utilizadas no processamento a frio de aços, metais não ferrosos e
materiais não metálicos, em diversas operações como corte, estampagem, cunhagem, trabalhos em madeira, cerâmicos,
corte de papel, etc. Não necessitam de grandes quantidades de elementos de liga para manterem a dureza após revenido.
Têm alta resistência à abrasão que é assegurada pela presença de carbonetos de Cr, W, Mo e V, juntamente com elevado
teor de carbono.
Aços – Elementos de liga
-AÇOS FERRAMENTA PARA TRABALHO A QUENTEDestinam-se ao fabrico de ferramentas utilizadas no trabalho a quente de aços, ligas não ferrosas, etc..
Têm elevada resistência ao revenido; elevada resistência mecânica a quente; boa tenacidade; grande resistência à
• Impedem o amaciamento da martensite com o aquecimento
Têm elevada resistência ao revenido; elevada resistência mecânica a quente; boa tenacidade; grande resistência à
abrasão a temperaturas elevadas. Os elementos Cr, Mo, V e W ligam-se ao carbono, que nesses aços está entre 0,30 e
0,60%, formando carbonetos que contribuem para a obtenção das propriedades requeridas nos aços. O Ni é adicionado
quando se necessita de maior tenacidade
- AÇOS PARA MOLDESAços para moldes usados para transformação de plásticos. São fáceis de ser conformados; têm boa resistência
mecânica; são fáceis de polir; têm boa soldabilidade. Têm um teor baixo a médio em elementos de liga que lhe
melhoram a temperabilidade
-AÇOS RÁPIDOS-Aços utilizados em ferramentas, devido à sua alta dureza no estado temperado e retenção da dureza a elevadas
temperaturas (até 550°C-600°C ). Esta característica é chamada de dureza a quente e constitui a mais importante
propriedade dos aços rápidos. Além disso, devido ao alto teor de carbono e ao elevado número de carbonetos de liga,
estes aços têm uma resistência ao desgaste superior à de outros tipos de aços para ferramentas, o que torna a sua
durabilidade maior. São aços de alta liga com elementos como o W, Mo, V, Cr.
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Na maioria dos casos seguem o diagrama estável (Fe-C)
Elemento Ferro
cinzento
Ferro
Nodular
Ferro
maleável
Ferro
branco
C 2,5 -4,0 3,0-4.0 2,0 a 2,6 1,8-3,6
Si 1,0-3,5 1,8-3,0 1,1-1,6 0,5-1,9
Mn 0,25-1,0 0,1-1,0 0,2-1,0 0,25-0,8
S 0,02-0,25 <0,02 <0,18 0,06-0,20
P 0,05-1,0 <0,1 <0,18 0,06-0,18
-Divisão - composição química típica
%C ∈ [1,8-3,6%] %Si ∈ [0,5-1,9]
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Ferros fundidos brancos
-Estrutura:Ferrite + perlite
Boa Boa resistênciaresistência aoao desgastedesgaste
DurosDuros e e frágeisfrágeis
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Ferros fundidos Cinzentos
A grafite forma-se quando o teor
de carbono da liga excede a
quantidade que se dissolve na
austenite
precipitação de
carbono sob a forma
%C ∈ [2,5-4%] %Si ∈ [1-3%]
α
αα + Fe+ Fe33CC
carbono sob a forma
de grafite (por
influência do silício)
OO teorteor (quantidade)(quantidade) dede perliteperlite dependedepende dada
velocidadevelocidade dede arrefecimentoarrefecimento..
↑↑ V V →→ ↑↑ quantidade de quantidade de αα + Fe3C+ Fe3C
↓↓V V →→ ↑↑ difusão do carbono para as lamelas de grafitedifusão do carbono para as lamelas de grafite
→→ Maior quantidade de ferriteMaior quantidade de ferrite
α
5x 50xBoa resistência à compressãoBoa resistência à compressão
Boa maquinabilidadeBoa maquinabilidade
Boa resistência ao desgasteBoa resistência ao desgaste
Boa resistência à corrosãoBoa resistência à corrosão
Boa fluidezBoa fluidez
Boa resistência à vibraçãoBoa resistência à vibração
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Ferros fundidos dúctil (grafite nodular)
Magnésio reage com oxigénio
e enxofre
%C ∈ [3-4%] %Si ∈ [1,8-2,8%]
permite a formação
grafitegrafite
αα + Fe+ Fe CC
Teores 10x menores do que
nos F.F. cinzentos
permite a formação
de grafite nodular
ExcelenteExcelente maquinabilidademaquinabilidade,,
Boa Boa fluidezfluidez
Boa Boa resistênciaresistência aoao desgastedesgaste, ,
Boa Boa resistênciaresistência mecânicamecânica, ,
RelativamenteRelativamente dúctildúctil..
%S < 0.03% %P < 0,1%
5x 50x
ααα + Fe+ Fe33CC
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Ferros fundidos maleáveis
gg
αα
Ferro Ferro fundidofundido brancobranco + + tratamentotratamento térmicotérmico
1. 1. GrafitizaçãoGrafitização
AquecimentoAquecimento acimaacima de de TeutTeut e e manutençãomanutenção de de dede
3 a 20h3 a 20h
gg
αααααααα + Fe+ Fe33CC
Fe3C Fe3C �������� carbonocarbono + austenite+ austenite
2. 2. ArrefecimentoArrefecimento
LentoLento
Austenite Austenite �������� Ferrite + Ferrite + grafitegrafite
RápidoRápido
Austenite Austenite �������� PerlitePerlite ((martensitemartensite) + ) + grafitegrafite
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)Ferros-fundidos
-Quadro-resumo
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Peças em ferros fundidos
Peças de automóvel
Ornamentals Marble Table Antique Toys
Machinery PartsSprockets
Gas Burners
Radiators
Flanges
(Cast Iron, Forged, Carbon Steel)
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)Ferros-fundidos
-Estruturas em ferros fundidos
• Ligas Fe-C com elevados teores em C (>2 %)
Ferros-fundidos
-Ferros fundidos brancos