03 MEC MB 1 Tecnologia dos Materiais I

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Tecnologia dos Materiais I

 SENAI- SP, 2000

Trabalho elaborado pela Escola SENAI Roberto Simonsen- Centro Nacional de Tecnologia em Mecânica, do Departamento Regional de São Paulo.

Coordenação Geral Coordenação

Dionisio Pretel Paulo Roberto Martins Laur Scalzaretto Valdir Peruzzi

Organização

Adriano Ruiz Secco Sílvio Audi

Editoração

Adriano Ruiz Secco Écio Gomes Lemos da Silva Silvio Audi

Adaptado de Supervisores de Primeira Linha – Tecnologia dos Materiais TC2000 – Profissionalizante - Materiais Metalmecânica – Teoria Caminhão Betoneira

Escola SENAI Roberto Simonsen Rua Monsenhor Andrade, 298 – Brás CEP 03008-000 - São Paulo, SP Tel. 011 3322-5000 Fax 011 3322-5029 E-mail: [email protected] Home page: http://www.sp.senai.br

Sumário

página Metais não ferrosos

3

Alumínio

16

Aço-carbono

24

Ferro fundido

35

Propriedades físicas dos metais

41

Estruturas dos metais

49

Diagrama ferro-carbono

65

Referências bibliográficas

79


   

Metais não ferrosos são todos os metais puros ou ligados, com exceção do ferro e suas ligas. Os metais não ferrosos podem ser classificados em função de densidade em metais leves e metais pesados. A maioria dos metais puros é mole e tem baixa resistência à tração. Quanto maior for a pureza, mais alto será o ponto de fusão, maior a condutibilidade elétrica e a resistência à corrosão. Na indicação dos metais não ferrosos puros, deve-se usar a designação química do elemento mais o grau de pureza. Metais pesados 5kg ρ≥ dm 3

Metais leves 5kg ρ ≤ dm 3

Cobre

Cu

Manganês

Mn

Chumbo

Pb

Vanádio

V

Zinco

Zn

Cobalto

Co

Níquel

Ni

Cádmio

Cd

Estanho

Sn

Alumínio

Al

Tungstênio

W

Magnésio

Mg

Molibdênio

Mo

Titânio

Ti

Cromo

Cr

Designação dos metais puros Ex.:

Zn Elemento químico

99 , 99 Pureza = 99,99%




   Os minérios de onde são retirados os metais, além do próprio metal, contêm também impurezas, tais como: oxigênio, hidrogênio e enxofre. A quantidade (porcentagem) de metal varia em função do tipo de minério. O esquema abaixo mostra o processo de obtenção da maioria dos metais. Para se obter um metal quase que totalmente puro (99,99%) usam-se normalmente outros processos além do processo normal de alteração do metal siderúrgico, os quais dependem do tipo de metal. Minério Calcinação Redução Metal bruto Afinagem (eliminação das impurezas) Metal siderúrgico Metal puro



 

Segundo a DIN 1700, para metais puros escreve-se o símbolo do elemento químico seguido do grau de pureza. Para as ligas, adota-se a seguinte forma: Produção ou aplicação G

Propriedades

Composição

= Fundido

1. Símbolo químico do metal

especiais F-40

= Resistência a tração em

base GD

= Fundido a pressão

GK

= Fundido em

W

=

mole

elementos de liga seguidos

h

=

duro

de seu teor em porcentagem

Wh

=

dureza de laminado

Zh

=

dureza de trefilado

P

=

dureza de prensagem

150Hv

=

dureza vickers

= Metl. antifricção

bk

=

brilhante

para mancais

gb

=

decapado

= Metal para solda

g

=

recozido

dek

=

oxidável com efeito decorativo

= Fundido por centrifugação

V

= Liga prévia de adição

Gl

L

2

2. Símbolo químico dos

coquilha Gz

Kgf/mm

Exemplos: GD-Zn Al 4 Cu1 → Liga de zinco fundido sob pressão com 4% de Al, 1% de Cu. AlCu Mg1 F40 →

Liga de alumínio com ±4% de Cu, ±1% de Mg e resistência a tração de 40kgf/mm ≅ 390N/mm . 2

2

As propriedades dos metais puros podem ser melhoradas através de elementos de liga. Liga é um processo onde se misturam dois ou mais elementos entre si no estado líquido. Nos metais ligados, geralmente a dureza e a resistência aumentam, enquanto a ductilidade e a condutibilidade elétrica diminuem.



    A designação das ligas não ferrosas é feita pela indicação (símbolo químico) dos metais que nela estão contidos, seguidos pelo teor (em porcentagem) de cada um dos metais. Exemplo: Designação Cu

Zn

40

Pb2 Chumbo 2% Zinco 40%

Liga de cobre


        É um metal de cor avermelhada, bastante resistente à intempérie e à corrosão. É também um excelente condutor elétrico e de calor (seis vezes mais que o ferro).


    Densidade (ρ)

8,93kg/dm

Temperatura da liquefação Resistência à tração

3

1083°C 200 ... 360

N mm 2

Transformação fria até 600N/mm Alongamento

50 ... 35% Transformação fria 2%

 Exemplo: E-Cu 99,99 Cobre especialmente puro

o

Obtenção pela eletrólise (E)



2

É fácil de fundir, dobrar, forjar, repuxar, tanto a quente como a frio. A deformação a frio deixa o cobre duro e difícil de dobrar. Com o cobre recozido a uma temperatura de aproximadamente o

600 C, e sem o resfriamento rápido, elimina-se a dureza proveniente da deformação a frio. Nos processos de usinagem com cavacos, devem-se usar ferramentas com grande ângulo de saída e, como fluido de corte, o óleo solúvel.

 É normalmente empregado para confecção de fios e cabos condutores elétricos, sistemas de aquecimento e resfriamento, tubos, chapas, peças fundidas e peças de artesanato.

  É um metal com aspecto exterior característico, pois apresenta uma cor cinza azulada. Sua superfície de ruptura (recente) é de uma cor branca prateada muito brilhante. É fácil de reconhecê-lo pelo peso: é um material muito denso e macio. O chumbo é muito dúctil, fácil de dobrar, laminar, martelar (a frio). Os tubos são curvados com auxílio de uma mola ou enchendo-os de areia fina e seca, ou com ajuda de um aparelho de curvar.


    Densidade (ρ)

11,3 o

Ponto de fusão C Resistência à tração Alongamento

kg dm 3 o

327 C N 15...20 mm 2 50...30%

Liga-se com dificuldade a outros metais, exceto o estanho, com o qual se produz a solda de estanho. É bem resistente à corrosão, pois, quando exposto ao ar, recobre-se de uma camada protetora de óxido.



     (Norma DIN 1719 : 1963) Denominação

Norma

Impureza

Chumbo fino

Pb 99,99

0,01%

Chumbo siderúrgico

Pb 99,94

0,06%

Chumbo refundido

Pb 99,9

0,01%


 Partículas de chumbo que aderem às mãos podem penetrar no organismo e provocar uma intoxicação por isso é indispensável lavar bem as mãos após, seu manuseio.

 É aplicado, de forma geral, no revestimento de cabos elétricos subterrâneos e de recipientes para ácidos, usados na indústria química. Como liga chumbo-estanho, é utilizado na solda. O chumbo fino, especificamente, aplica-se em placas de acumuladores, cristais óticos e proteção contra raios X.

  É um metal branco azulado. Sua superfície de ruptura é formada de cristais que se distinguem facilmente. Entre os metais, é o que o

tem o maior coeficiente de dilatação térmica (0,000029/ C). Exposto à umidade do ar, combina-se com o dióxido de carbono (CO2) formando uma capa cinzenta de carbonato de zinco (Zn + CO2), que protege o metal. É muito sensível aos ácidos, que o atacam e destroem, sendo portanto impossível conservar ácidos em recipientes de zinco. As propriedades do zinco podem ser sensivelmente melhoradas pela adições de outros metais.




   Densidade (ρ)

7,1 o

Ponto de fusão C Resistência à tração Alongamento

kg dm 3 o

419 C N 20...36 mm 2 1%

Com liga, o zinco de alumínio se torna mais resistente; com liga de cobre, mais duro. O magnésio compensa as impurezas existentes e igualmente o torna mais duro. Também o bismuto, o chumbo e o tálio melhoram consideravelmente as propriedades do zinco para sua usinagem.

    (Norma DIN 1706) Denominação

Norma

Impureza

Zinco fino

Zn 99,995

0,005%

Zinco siderúrgico

Zn 99,95

0,05%

G-Zn.Al6.Cu

1%

Zinco fundido

 Peças de aço que estejam sujeitas à oxidação do tempo, devem receber uma zincagem (banho de zinco) para sua proteção. O zinco é um material muito utilizado na fundição de peças. Peças complicadas são obtidas através de fundição por injeção, a qual facilita a fabricação em série e aumenta a precisão das peças.



 ! É um metal branco azulado e macio que se funde facilmente e é resistente à corrosão.


    Densidade Temperatura de liquefação Resistência à tração Ductibilidade

7,3

kg dm 3 o

232 C N 40...50 mm 2 50%

Dobrando uma barra de estanho, ouve-se um ruído como se o metal estivesse trincado. Esse ruído é produzido em conseqüência do deslizamento dos cristais, atritando-se entre si (grito do estanho). Não se altera quando em contato com ácidos orgânicos ou quando exposto às intempéries. Em temperaturas inferiores a o

15 C, o estanho se decompõe formando um pó de cor cinzenta.

     Denominação

Norma

Estanho

Sn 99,9

Liga fundida

Cu Sn 6

 O estanho puro não é empregado em construções de peças devido a sua pequena resistência à tração. Graças a sua ductilidade, podem-se laminar folhas delgadas de até 0,008mm de espessura. É muito utilizado no equipamento e maquinaria da indústria alimentícia, por ser não tóxico.



Liga-se perfeitamente aos metais: cobre, chumbo e antimônio. A solda de estanho é possível sobre latão, aço e aço fundido.

"      Para melhorar as propriedades dos metais com base o cobre, são adicionadas ligas de outros metais, como o zinco e o estanho. As ligas de cobre possuem cores diferentes, conforme o metal que entra na constituição da liga e na proporção em que é adicionado. As ligas de cobre mais importantes são: latão, bronze e latão vermelho.

"

É uma liga de cobre e de zinco com um teor mínimo de 50% de cobre.


   Cobre

Zn

Latão Tomback, Latão especial

Fundição Fundição em areia Fundição em coquilha

Laminados Chapas Tiras Barras maciças Tubos Arames Peças de pressão Barras perfiladas




   Massa específica 8,5kg/dm

3

Classifica-se segundo

o

Ponto de fusão 980 C

DIN 1709, 17660, 17661

1. Ligas de fundição (latão fundido) Denominação Latão fundido Latão de fundição em

Abreviatura

G - CuZn 36 G - CuZn 38

coquilha Latão fundido

G - CuZn

sob pressão

40

Composição em

Propriedades

%

especiais

64

62

60

até 3 Pb

até 3 Pb

até 2 Pb

R e s t a n t e

Boa condutibi- Instalações lidade Superfície brilhante Superfície brilhante

A abreviatura CuZn = Latão teor de zinco em % = 36 teor de cobre em % = 64 O latão é um metal de cor amarelo-claro ou amarelo-ouro. As classes do latão são reconhecidas pela superfície de ruptura ou em sua superfície polida. É fácil de dobrar e repuxar. Tem uma resistência maior do que a 2

do cobre (200 - 800N/mm ).

 Devido a sua boa resistência à corrosão causada pelo ar e fluidos, o emprego do latão fundido é muito grande na fabricação de válvulas, torneiras e registros. Laminado, o latão é empregado na confecção de chapas, perfis de qualquer forma (



,

,

Emprego

) e tubos de radiadores.

para gás, água e para indústria elétrica

#  O bronze é uma ligas com 60% de cobre e um ou vários elementos de liga. O bronze pode ser classificado em ligas fundidas e ligas laminadas. O quadro a seguir mostra os diversos tipos de bronze.

   Bronze - ao estanho - fosforoso - ao alumínio - ao chumbo - ao silício - ao manganês - ao berílio

Ligas de Laminação

Ligas de Fundição

 As ligas de bronze variam entre macias e duras. Resistem muito bem à corrosão. Devido a sua fácil fusão, são empregadas na fabricação de sinos, buchas e peças hidráulicas. O bronze laminado é empregado na fabricação de molas, partindo de tiras e de arames estirados a frio.


   Densidade (ρ) Ponto de fusão Resistência à tração

7,6 - 8,8

kg dm 3 o

900 - 1000 C N 350 - 770 mm 2

#  

Esta liga tem de 4 a 20% de estanho. É dúctil e elástica, dura e resistente à corrosão.




 

Cu Sn 6 6% de estanho 94% de cobre

#  

Até 25% de chumbo. Boa característica de deslizamento, autolubrificante. Empregada na construção de buchas.

 

G - Cu Pb 15 Sn 75% de cobre 15% de chumbo 8% de estanho 2% de zinco

#  $

Esta liga tem de 4 a 9% de alumínio. Resistente à corrosão e ao desgaste. Utilizada na construção de buchas, parafusos sem-fim e rodas-dentadas.

 

Cu Al8 Fe F45 89% de cobre 8% de alumínio ≅ 1% de ferro F45 - resistência à tração = 450N/mm

2

" %      O latão vermelho é uma liga de cobre, estanho (bronze) e zinco, cujo componente predominante é o cobre. É resistente à corrosão e ao desgaste. Além disso, resiste bem à pressão.



É empregada na fundição de buchas e na fabricação de peças hidráulicas, tubos e engrenagens helicoidais.


    Densidade Ponto de fusão Resistência à tração

8,6

kg dm 3 o

900 - 1000 C N 240 - 650 mm 2

  G - Cu Sn 10 Zn G = Fundido 10% de estanho ≅ 3% de zinco 87% de cobre



&$

O alumínio é um metal extraído do minério bauxita. Cerca de 8% da crosta terrestre são constituídos desse minério, o que o torna o mais abundante no planeta. No entanto, apenas no século passado foi possível obter, pela primeira vez, pequenas quantidades de alumínio; e sua utilização só se tornou economicamente viável em 1892, quando se descobriu o processo para separar o alumínio da alumina, produto derivado da bauxita e composto de alumínio e oxigênio.

  $

O processo de obtenção do alumínio tem três etapas: obtenção do minério (bauxita), obtenção da alumina e finalmente obtenção do alumínio. A bauxita foi formada pela decomposição de rochas alcalinas que durante milhões de anos sofreram infiltração de água e transformaram-se em argila; essa argila é composta principalmente de óxido de alumínio hidratado, que é a alumina, misturado com óxido de ferro, sílica, titânio e outras impurezas. A proporção de alumina na argila está entre 40 e 60%. O minério é retirado por retroescavadeiras e transportado por caminhões à área de armazenamento. Na segunda etapa do processo, a bauxita é triturada e misturada a uma solução de soda cáustica; a lama formada por essa mistura é aquecida sob alta pressão e recebe uma nova adição de soda cáustica. Dessa forma, a alumina é dissolvida, a sílica contida na pasta é eliminada e as outras impurezas são separadas por processos de sedimentação e filtragem.



A solução resultante, chamada aluminato de sódio, é colocada em um precipitador e obtém-se a alumina hidratada, que pode ser usada como matéria-prima ou pode ser levada para calcinadores, quando será desidratada para servir a outros fins. A terceira etapa é a de obtenção do alumínio, que é conseguido pela retirada do oxigênio existente na alumina. Para retirar o oxigênio, a alumina é dissolvida dentro de fornos eletrolíticos em um banho químico à base de fluoretos. Os fornos são ligados a um circuito elétrico em série, que fornece corrente contínua. Quando a corrente elétrica passa através do banho químico, ocorre uma reação e o alumínio se separa da solução e libera oxigênio. O alumínio líquido se deposita no fundo do forno e é aspirado a intervalos regulares por meio de sifões. O calor gerado pela corrente elétrica mantém a solução em estado líquido, o que permite a adição de mais alumina e torna o processo contínuo. O alumínio líquido é levado para fornalhas onde é purificado ou recebe adição de outros metais que formarão as ligas e lhe darão características especiais. Em seguida, é resfriado sob a forma de lingotes, barras ou tarugos para ser utilizado na indústria de transformação.

  '  %

$

O alumínio é variadamente empregado; na fabricação de veículos, tais como ônibus e caminhões, permite a diminuição do peso e, conseqüentemente, grande economia de combustível; por ser muito resistente à corrosão, também é empregado na fabricação de esquadrias para prédios residenciais e industriais, tanques para transporte e armazenamento de combustíveis e produtos químicos.

Ao lado de suas características de leveza e resistência à condições do ambiente, o alumínio é facilmente moldável e



permite todo tipo de processo de fabricação: pode ser laminado, forjado, prensado, repuxado, dobrado, serrado, furado, torneado, lixado e polido. As peças de alumínio também podem ser produzidas por processos de fundição em areia, em coquilhas ou sob pressão. Além disso, o alumínio é um material que pode ser unido por todos os processos usuais: soldagem, rebitagem, colagem e brasagem. Apresenta excelente condutividade térmica, quatro vezes maior que a do aço, e sua superfície aceita os mais variados tipos de tratamento, tais como anodização, verniz e esmalte.


    $

O alumínio puro é bastante dúctil, apresenta boa resistência à corrosão, boa condutividade térmica e elétrica; porém, apresenta baixa resistência a esforços mecânicos e baixos níveis de dureza; para compensar essas desvantagens, melhorar as propriedades do material e torná-lo mais resistente, existem três métodos: adição de elementos químicos para obter uma liga; conformação mecânica, que abrange processos de laminação ou prensagem, e tratamento térmico.

"$

Leveza, ductilidade, resistência a corrosão e a ataques do meio ambiente, alto valor econômico da sucata e enormes jazidas são qualidades que tornaram o alumínio o material mais utilizado depois do aço. Mas, para melhorar ainda mais as características desse material, desenvolveram-se novas ligas que permitem utilizar o metal para fins especiais. Os elementos químicos adicionados ao alumínio puro e liquefeito formam as ligas de alumínio. Essas ligas são formadas principalmente com a adição de cobre (Cu), magnésio (Mg), manganês (Mn), silício (Si) ou zinco (Zn). A escolha dos elementos e sua proporção na liga dependem das propriedades finais que se quer obter. Uma liga de alumínio e cobre, submetida a processos especiais de tratamento térmico, terá uma resistência à tração equivalente



ou até maior que a de alguns aços de baixo teor de carbono; além disso, apresenta ótima usinabilidade. Devido à alta relação entre resistência e peso, essa liga é indicada para a indústria aeronáutica e automobilística, na estrutura e revestimento de asas e rodas de aviões. É indicada também para peças que o

devem suportar temperaturas ao redor de 150 C. A liga alumínio-manganês aceita acabamentos de superfície, é resistente à corrosão e possui elevada condutividade elétrica, embora sua resistência mecânica seja limitada. Essa liga é usada na fabricação de latas de bebidas, placas de carro, telhas, equipamentos químicos, refletores, trocadores de calor e como elemento decorativo na construção civil. Quando se adiciona manganês ao alumínio, a resistência mecânica dessa liga aumenta em até 20%, se comparada com a do alumínio puro, sem perder a capacidade de ser trabalhada por todos os processos de conformação e fabricação mecânicas, como estampagem, soldagem e rebitagem. A liga de alumínio-silício apresenta baixo ponto de fusão e boa resistência à corrosão. Quando o teor de silício é elevado (em torno de 12%), a liga se torna adequada para produzir peças fundidas e pode servir como material de enchimento em processos de soldagem e brasagem. A liga alumínio-magnésio á excelente para soldagem, além de ser resistente à corrosão, principalmente em atmosfera marinha; por isso, é muito empregada na fabricação de barcos, carrocerias de ônibus e furgões e no revestimento de tanques criogênicos, isto é, recipientes usados para armazenar gases ou líquidos sob temperaturas extremamente baixas. É possível, também, combinar vários elementos químicos em uma só liga; é o caso das ligas de alumínio com magnésio e silício em sua composição. As ligas alumínio-magnésio-silício, que apresentam resistência mecânica menor que as de alumíniocobre mas têm elevada resistência à corrosão, são facilmente moldáveis, usináveis e soldáveis e aceitam diversos tipos de processos de acabamento, tais como o polimento, o



envernizamento e a esmaltação. São usadas na construção civil, na fabricação de veículos e máquinas e fios para cabos de alta tensão. As ligas alumínio-zinco-magnésio-cobre ou cromo, depois de passar por tratamento térmico, são usadas em aplicações que exigem alta relação resistência/peso, principalmente na construção de aviões. Outros elementos que podem ser adicionados ao alumínio são: bismuto (Bi), chumbo (Pb), titânio (Ti), estanho (Sn), níquel (Ni). São as variações nas quantidades e combinações dos elementos que originam ligas com propriedades adequadas a cada uma das aplicações.

   ( A conformação mecânica produz mudanças na estrutura interna do alumínio e suas ligas. Um dos processos que demonstram essa mudança é a laminação, usada para transformar o lingote em chapas para uso posterior. A laminação pode ser executada a quente ou a frio. Se a quente, o alumínio mantém sua maleabilidade; se a frio, o processo produz um efeito chamado encruamento, que torna o alumínio mais duro e menos maleável. As chapas e lingotes laminados, a quente ou a frio, ganham o grau de dureza necessário que permite sua transformação nos mais variados produtos. Na laminação a quente, o lingote de alumínio pré-aquecido passa no meio de dois ou mais rolos da laminadora e provoca o deslizamento dos minúsculos grãos que formam o material; os grãos deslizam uns sobre os outros, deformam-se e recompõemse logo em seguida, devido à temperatura, mantendo a maleabilidade do material.



No caso de laminação a frio, acontece o efeito de encruamento. Quando são comprimidos pelos rolos da laminadora, os grãos se quebram e diminuem de tamanho, aumentando a dureza do material e diminuindo sua maleabilidade.

)  * 

O tratamento térmico é outra maneira de melhorar as propriedades de um material. Nesse processo, o metal é aquecido e em seguida, resfriado gradativamente; isso traz ao metal ou liga certos efeitos como alívio de tensões, eliminação do encruamento, estabilidade dimensional, endurecimento

  $

Para organizar e facilitar a seleção das ligas de alumínio, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) e outras associações classificaram essas ligas de acordo com o processo de fabricação e com sua composição química. As ligas foram divididas em ligas para conformação (ou dúcteis) e ligas para fundição. As ligas para conformação devem ser obrigatoriamente bastante dúcteis para serem trabalhadas a frio ou a quente pelos processos de conformação mecânica, que são a laminação, a trefilação, o forjamento e a extrusão. Após passarem por esses processos, as ligas são comercializadas sob a forma de laminados planos (chapas e folhas), barras, arames, perfis e tubos extrudados e peças forjadas. As ligas para fundição devem ter resistência mecânica, fluidez e estabilidade dimensional e térmica para suportar os diferentes processos de fundição em areia, molde permanente por gravidade ou sob pressão.



Os dois tipos de ligas seguem um sistema de designação de acordo com a norma da ABNT NBR 6834, conforme o principal elemento de liga presente em sua composição. Para ilustrar, apresenta-se um quadro referente a alumínio e suas ligas para conformação, com designação de série e respectiva indicação da composição.

Alumínio e suas ligas para conformação Designação da série

Indicação da composição

1XXX

99,0% mínimo de alumínio

2XXX

Cobre

3XXX

Manganês

4XXX

Silício

5XXX

Magnésio

6XXX

Magnésio e silício

7XXX

Zinco

8XXX

Outros elementos

9XXX

Série não utilizada

Pela norma, os materiais para conformação mecânica são indicados por um número de quatro dígitos em que: • primeiro classifica a liga pela série de acordo com o principal elemento adicionado; • segundo dígito, para o alumínio puro, indica modificações nos limites de impureza: 0 - nenhum controle, ou de 1 a 9 - controle especial de uma ou mais impurezas; para as ligas, o número diferente de zero indica qualquer modificação da liga original. • terceiro e o quarto dígitos, para o alumínio puro, indicam o teor de alumínio acima de 99%; quando se referem às ligas, identificam as diferentes ligas do grupo. Considere-se, como exemplo, uma liga de alumínio número 1035. O primeiro dígito (1) significa que se trata de uma liga da série 1XXX, que se refere ao alumínio comercialmente puro. O segundo dígito (0) indica que é um alumínio sem controle especial de impurezas. Finalmente, os dois últimos dígitos (35) significam que é um material com 99,35% de alumínio.



Outro exemplo: alumínio 6463A. O quadro indica que o primeiro dígito (6) se refere à série 6XXX, correspondente à liga de alumínio com magnésio e silício. O segundo dígito (4) indica que se trata de uma modificação da liga número 63 dessa série. A letra A, que também é normalizada, indica que essa liga é uma pequena alteração da liga 6463 existente em outro país. Observe-se agora o quadro relativo ao alumínio e suas ligas para fundição. Alumínio e suas ligas para fundição Designação da série

Indicação da composição

1XX.X

99,00% mínimo de alumínio

2XX.X

Cobre

3XX.X

Silício e cobre e/ou magnésio

4XX.X

Silício

5XX.X

Magnésio

6XX.X

Série não utilizada

7XX.X

Zinco

8XX.X

Estanho

9XX.X

Outros elementos

Como se pode observar na coluna Designação da série, as ligas de alumínio para fundição são indicadas por três dígitos, um ponto e um dígito. Isto significa que: •

primeiro dígito classifica a liga segundo o elemento principal da liga;

•

segundo e o terceiro dígitos indicam centésimos da porcentagem mínima de alumínio (para alumínio puro) ou diferentes ligas do grupo;

•

dígito após o ponto indica a forma do produto: 0 para peças fundidas e 1 para lingotes.

•

Para exemplificar, considere-se a liga 319.0: o dígito 3 indica que esta é uma liga de alumínio com silício e cobre e/ou magnésio; o o

número 19 indica que é a 19 liga da série; o dígito 0 após o ponto indica tratar-se de peça fundida. Quando o último dígito indicativo da série para ligas de fundição é 2, sabe-se que se trata de um lingote feito de material reciclado, fora de especificação em relação aos níveis de impureza.




& +  

Aço é a liga ferro-carbono que contém geralmente entre 0,008% até 2,11% de carbono, além de outros elementos que resultam dos processos de fabricação. O aço é obtido a partir do ferro-gusa líquido, produzido nos altos-fornos das usinas siderúrgicas, no setor denominado aciaria. Na aciaria, o gusa líquido passa por um processo de descarbonetação, ou seja, remoção, por oxidação, de parte do carbono existente no gusa. Além do carbono, outros elementos tais como o enxofre (S), o fósforo (P), o silício (Si) e o manganês (Mn), presentes no gusa, são reduzidos a quantidades mínimas por oxidação. Esses elementos residuais têm influência no desempenho do aço e, por isso, devem ter suas quantidades controladas. Veja quadro a seguir. Elemento

Influências dos elementos nos aços-carbono Em aços com pouco carbono, a presença do manganês em pequenas

Manganês (Mn) porcentagens, torna-os mais dúcteis e maleáveis. Em aços ricos em carbono, o manganês endurece-os e aumenta-lhes a resistência aos choques. Contribui para o aumento da dureza e da tenacidade. O silício evita a porosidade Silício (Si) e influi para que não apareçam falhas ou vazios na massa do aço, É prejudicial em teores elevados, pois torna o aço frágil e quebradiço. Sua Fósforo (P)

presença deve ser reduzida ao mínimo possível, já que não se pode eliminá-lo por completo. É prejudicial ao aço tornando-o granuloso e áspero, devido aos gases que produz

Enxofre (S)

na massa metálica. O enxofre enfraquece a resistência do aço e deve ser reduzido ao mínimo.



Apesar da presença desses elementos, os aços-carbono são especificados apenas em função do teor de carbono que apresentam. Assim, dependendo do teor de carbono, esses aços subdividem-se em três classes: aços com baixos teores de carbono: entre 0,008% e 0,3%; aços com médios teores de carbono: entre 0,3% e 0,77%; aços com altos teores de carbono: entre 0,77% e 2,11%.





  



   
  

  









 


 


A quantidade de carbono tem influência decisiva nas propriedades dos aços. Ela influi na dureza, na resistência à tração e na maleabilidade dos aços. Quanto mais carbono um aço contiver, mais duro ele será. O aço é ainda o material mais usado na indústria mecânica e pode ser trabalhado pelos mais diversos processos de fabricação. Suas propriedades mecânicas permitem que ele seja soldado, curvado, forjado, dobrado, trefilado, laminado e trabalhado por meio de ferramentas de corte.



& + Os aços-liga ou aços especiais são obtidos mediante a adição e dosagem de certos elementos ao aço-carbono quando esse está sendo produzido. Os principais elementos que adicionam-se aos aços são os seguintes: alumínio (Al), manganês (Mn), níquel (Ni), cromo (Cr), molibdênio (Mo), Vanádio (V), Silício (Si), cobre (Cu), cobalto (Co) e tungstênio (W).

Com a adição desses elementos, de forma isolada ou combinada em porcentagens variáveis, fabrica-se uma enorme variedade de aços-liga, cada qual com suas características e aplicações. Por exemplo, os aços normalmente utilizados para fabricar ferramentas de corte são conhecidos pelo nome de aços rápidos. Esses aços apresentam, em sua composição, porcentagens variáveis de cromo, tungstênio, vanádio, cobalto, manganês e molibdênio. Por sua vez, os aços inoxidáveis apresentam de 12 a 17% de cromo em sua composição, além de porcentagens variáveis de silício, manganês e níquel. De um modo geral, ao introduzir elementos de liga nos aços visa-se aos seguintes objetivos: alterar as propriedades mecânicas; aumentar a usinabilidade; aumentar a temperabilidade; conferir dureza a quente; aumentar a capacidade de corte; conferir resistência ao desgaste; conferir resistência ä corrosão; conferir resistência à oxidação (ao calor); modificar as características elétricas e magnéticas.

Na tabela, a seguir, são mostrados os efeitos dos elementos de liga mais comuns, que são incorporados nos aços especiais, considerando a influência que eles exercem em algumas propriedades que os aços especiais devam apresentar.



Elementos de liga

Influência na estrutura

Influências nas propriedades

Aplicações

Produtos

Refina o grão. Diminui a velocidade de transformação na estrutura do aço.

Aumento da resistência à tração. Alta ductilidade.

Aço para construção mecânica. Aço inoxidável. Aço resistente a altas temperaturas.

Estabiliza os carbonetos. Ajuda a criar microestrutura dura por meio de têmpera. Diminui a velocidade de resfriamento. Forma carbonetos. Acelera o crescimento dos grãos.

Aumento da resistência mecânica e temperabilidade da peça. Resistência ao choque.

Aço para construção mecânica.

Aumento da resistência à corrosão e à oxidação. Aumento da resistência a altas temperaturas.

Aços para construção mecânica. Aços-ferramenta. Aços inoxidáveis.

Molibdênio

Influência na estabilização do carboneto.

Aços-ferramenta. Aço cromo-níquel. Substituto do tungstênio em aços rápidos. Aços cromo-vanádio.

Vanádio

Inibe o crescimento dos grãos. Forma carbonetos.

Alta dureza ao rubro. Aumento de resistência à tração. Aumento de temperabilidade. Maior resistência mecânica. Maior tenacidade e temperabilidade. Resistência à fadiga à abrasão. Aumento da dureza. Aumento da resistência a altas temperaturas.

Aços rápidos. Aços-ferramenta.

Ferramentas de corte.

Aumento da dureza. Resistência à tração. Resistência à corrosão e à erosão. Aumento da resistência à oxidação em temperaturas elevadas. Melhora da temperabilidade e de resistência à tração.

Aços rápidos. Elemento de liga em aços magnéticos.

Lâminas de turbina de motores a jato.

Aços com alto teor de carbono. Aços para fundição em areia.

Peças fundidas.

Níquel

Manganês

Cromo

Tungstênio

Cobalto

Silício

Forma carbonetos muito duros. Diminui a velocidade das transformações. Inibe o crescimento dos grãos. Forma carbonetos (fracamente).

Auxilia na desoxidação. Auxilia na grafitização. Aumenta a fluidez.

Peças para automóveis. Utensílios domésticos. Caixas para tratamento térmico. Peças para automóveis e peças para uso geral em engenharia mecânica. Produtos para a indústria química; talheres; válvulas e peças para fornos. Ferramentas de corte. Ferramentas de corte.

Ferramentas de corte.

,    Os ferros fundidos, os aços-carbono e os aços-liga podem ser identificados por processos químicos (análises químicas) ou por meio da prova da centelha, que é um processo físico. A prova da centelha consiste em encostar, levemente, a amostra de ferro ou aço no rebolo de uma esmerilhadeira em funcionamento, de preferência no escuro. Isso permite ao operador observar a cor, o aspecto e a luminosidade das centelhas, o que exige bastante habilidade e prática.



Exemplos são dados a seguir.

Aço-carbono com baixo teor em carbono - a cor das centelhas é amarelada e o feixe é moderado.

Aço-carbono com médio teor em carbono - os feixes são curtos, mais brilhantes e abertos, formando estrelas.

Aço-carbono com alto teor em carbono - os feixes são compridos e brilhantes, formando grande quantidade de estrelas.

Ferro fundido cinzento - os feixes são curtos e pouco brilhantes e de cor vermelho-escuro.

Aço inoxidável - os feixes são curtos, alaranjados e estrelados.

Aço rápido - os feixes são curtos, de cor vermelho pardo e sem estrelas.

!    Dada a grande variedade de tipos de aço, criaram-se sistemas para a sua classificação. A classificação mais generalizada é a que considera a composição química dos aços e, entre os sistemas de classificação conhecidos, destacam-se o do American Iron and Steel Institute (AISI) (Instituto Americano de Ferro e Aço) e o da Society of Automotive de Engineers (SAE) (Sociedade Automotiva de Engenheiros), além do sistema da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).



Inicialmente veremos as classificações AISI e SAE. Essas associações seguem, aproximadamente, o mesmo método numérico de identificação e que, em linhas gerais, é o seguinte: •

são designados quatro algarismos para designar os aços;

•

os dois primeiros algarismos indicam o tipo e o teor aproximado dos elementos da liga;

•

os dois últimos algarismos especificam o teor de carbono;

•

as letras XX correspondem aos algarismos indicativos dos teores de carbono;

•

a letra C (na classificação AISI) indica que o aço foi produzido pelo processo Siemens-Martin;

•

a letra E indica aço produzido em forno elétrico;

•

a letra B designa aço ao boro;

•

quando o primeiro algarismo é 1, os aços são simplesmente aços-carbono, desprezando-se seus teores mínimos de manganês, silício, fósforo e enxofre. Nesse caso, esses teores são considerados iguais a zero;

quando o primeiro algarismo for: 2

trata-se de aço ao níquel

3

trata-se de aço ao níquel-cromo

4

trata-se de aço ao molibdênio

5

trata-se de aço ao cromo

6

trata-se de aço ao cromo-vanádio

7

trata-se de aço ao tungstênio

8

trata-se de aço ao níquel-cromo-molibdênio

9

trata-se de aço ao silício-manganês



A tabela a seguir mostra classificação dos aços segundo os sistemas SAE e AISI. Ela deve ser consultada quando necessário.

Designação Tipo de aço SAE

AISI

10 XX

C 10 XX

aços ao carbono comuns

11 XX

C 11 XX

aços de fácil usinagem com alto teor de enxofre

13 XX

13 XX

aços ao manganês com 1,75% de Mn

23 XX

23 XX

aços-níquel com 3,5% de Ni

25 XX

25 XX

aços-níquel com 5% de Ni

31 XX

31 XX

aços-níquel-cromo com 1,25% de Ni e 0,65% de Cr

33 XX

E 33 XX

aços-níquel cromo com 3,5% de Ni e 1,57% de Cr

40 XX

40 XX

aços-molibdênio com 0,25% de Mo

41 XX

41 XX

aços-cromo-molibdênio com 0,50% ou 0,95% de Cr e 0,12%; 0,20% ou 0,25% de Mo

43 XX

43 XX

aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,82% de Ni; 0,50% ou 0,80% de Cr e 0,25% de Mo

46 XX

46 XX

aços-níquel-cromo-molibdênio com 1,05% de Ni; 0,45% de Cr e 0,20% de Mo

48 XX

48 XX

aços-níquel-molibdênio com 3,50% de Ni e 0,25% de Mo

50 XX

50 XX

aços-cromo com 0,27%; 0,40% ou 0,50% de Cr

51 XX

51 XX

aços-cromo com 0,80% a 1,05% de Cr

511 XX

E 511 XX

aços de médio cromo para rolamentos com 1,02% de Cr

521 XX

E 521 XX

aços de alto cromo para rolamentos com 1,45% de Cr

61 XX

61 XX

aços-cromo-vanádio com 0,80% ou 0,95% de Cr e 0,10% ou 0,15% de V no mínimo

86 XX

86 XX

aços-níquel-cromo-molibdênio com 0,55% de Ni; 0,50% ou 0,65% de Cr e 0,20% de Mo

92 XX

92 XX

aços-silício-manganês com 0,65%, 0,82%, 0,85% ou 0,87% de Mn; 1,40% ou 2% de Si; 0%; 0,17%; 0,32% ou 0,65% de Cr

93 XX

93 XX

aços-níquel-molibdênio com 3,25% de Ni; 1,20% de Cr e 0,12% de Mo

98 XX

98 XX

aços-níquel-cromo-molibdênio com 1% de Ni; 1,20% de Cr e 0,12% de Mo

XX B XX

XX B XX

aços-boro com 0,0005% de B no mínimo




Aço 1010. É um aço ao carbono SAE pertencente à categoria 10XX.

Portanto, um aço 1010 é um aço ao carbono com aproximadamente 0,10% de carbono. Observe que os elementos de liga foram desprezados, ou seja, foram considerados iguais a zero. Aço 2350. É um aço ao níquel SAE ou AISI pertencente à categoria 23 XX.

Logo, um aço 2350 é um aço ao níquel com aproximadamente 3% de níquel e 0,50% de carbono. Aço 5130. É um aço ao cromo com aproximadamente 1% de cromo e 0,30% de carbono. Veja, na tabela, que esse aço é do tipo 51 XX SAE ou AISI. Aço 9220. É um aço silício-manganês com aproximadamente 2% de silício e manganês e 0,2% de carbono. O sistema brasileiro da ABNT baseou-se nos sistemas SAE e AISI para elaborar seu sistema de classificação. A seguir, são apresentadas duas tabelas da ABNT: uma para a classificação dos aços-liga e outra para a classificação dos aços-carbono. Em ambas estão a porcentagem aproximada dos elementos de liga.




 &#) +

Designação

C,%

Mn,%

Si,%

Cr,%

Ni,%

Mo,%

1340

0,38 - 0,43

1,60 - 1,90

0,20 - 0,25

-

-

-

4130

0,28 - 0,33

0,40 0 0,60

0,20 - 0,35

0,80 - 1,10

-

0,15 - 0,25

4135

0,33 - 0,38

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,80 - 1,10

-

0,15 - 0,25

4140

0,38 - 0,43

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,80 - 1,10

-

0,15 - 0,25

4320

0,17 - 0,22

0,45 - 0,65

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

1,65 - 2,00

0,20 - 0,30

4340

0,38 - 0,43

0,60 - 0,80

0,20 - 0,35

0,70 - 0,90

1,65 - 2,00

0,20 - 0,30

5115

0,13 - 0,18

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,70 - 0,90

-

-

5120

0,17 - 0,22

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,70 - 0,90

-

-

5130

0,28 - 0,33

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,80 - 1,10

-

-

5135

0,33 - 0,38

0,60 - 0,80

0,20 - 0,35

0,80 - 1,05

-

-

5140

0,38 - 0,43

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,70 - 0,90

-

-

5160

0,55 - 0,65

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,70 - 0,90

-

-

E52100

0,95 - 1,00

0,25 - 0,45

0,20 - 0,35

1,30 - 1,60

-

-

6150

0,48 - 0,53

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,80 - 1,10

-

-

8615

0,13 - 1,18

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8620

0,18 - 0,23

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8630

0,28 - 0,33

0,70 - 0,90

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8640

0,38 - 0,43

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8645

0,43 - 0,48

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8650

0,48 - 0,53

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

8660

0,55 - 0,65

0,75 - 1,00

0,20 - 0,35

0,40 - 0,60

0,40 - 0,70

0,15 - 0,25

E9315

0,13 - 0,18

0,45 - 0,65

0,20 - 0,35

1,00 - 1,40

3,00 - 3,50

0,08 - 0,15


 

  




    

Limites de composição química, % na análise de panela

ABNT 1005 1006 1008 1010 1011 1012 1013 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 1025 1026 1029 1030 1035 1037 1038 1039 1040 1042 1043 1044 1045 1046 1049 1050 1053 1055 1060 1064 1065 1069 1070 1074 1075 1078 1080 1084 1085 1086 1090 1095

SAE C

Mn

P máx.

S máx.

0,06 máx. 0,08 máx. 0,10 máx. 0,08 - 0,13 0,08 - 0,13 0,10 - 0,15 0,11 - 0,16 0,13 - 0,18 0,13 - 0,18 0,15 - 0,60 0,15 - 0,20 0,15 - 0,20 0,18 - 0,23 0,18 - 0,23 0,18 - 0,23 0,20 - 0,25 0,22 - 0,28 0,22 - 0,28 0,25 - 0,31 0,28 - 0,34 0,32 - 0,38 0,32 - 0,38 0,35 - 0,42 0,37 - 0,44 0,37 - 0,44 0,40 - 0,47 0,40 - 0,47 0,43 - 0,50 0,43 - 0,50 0,43 - 0,50 0,46 - 0,53 0,48 - 0,55 0,48 - 0,55 0,50 - 0,60 0,55 - 0,65 0,60 - 0,70 0,60 - 0,70 0,65 - 0,75 0,65 - 0,75 0,70 - 0,80 0,70 - 0,80 0,72 - 0,85 0,75 - 0,88 0,80 - 0,93 0,80 - 0,93 0,80 - 0,93 0,85 - 0,98 0,90 - 1,03

0,35 máx. 0,25 - 0,40 0,30 - 0,50 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 0,50 - 0,80 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,30 - 0,60 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,50 - 0,80 0,60 - 0,90 0,40 - 0,70 0,60 - 0,90 0,50 - 0,80 0,40 - 0,70 0,30 - 0,60 0,60 - 0,90 0,60 - 0,90 0,70 - 1,00 0,30 - 0,50 0,60 - 0,90 0,30 - 0,50

0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040

0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050

1006 1008 1010 1012 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023 1025 1026 1030 1035 1037 1038 1039 1040 1042 1043 1045 1046 1049 1050 1055 1060 1064 1065 1070 1070 1078 1080 1084 1086 1090 1095

Observação: Aplicável somente a produtos semi-acabados para forjamento, barras laminadas a quente, barras laminadas a quente e acabadas a frio, fio-máquina.





Para finalizar, podemos dizer que os aços-carbono e os açosliga ocupam um lugar de destaque em termos de aplicações. Com eles constroem-se: edifícios, automóveis, caminhões, navios, submarinos, pontes, motores, engrenagens, máquinas operatrizes, utensílios domésticos e uma imensa variedade de objetos que a sociedade moderna utiliza no dia-a-dia.




- 

Ferro fundido é uma liga básica ternária, isto é, composta de três elementos: ferro, carbono (2,11 a 6,69%) e silício (1 a 2,8%). Existe também o ferro fundido ligado, ao qual são acrescentados outros elementos de liga para dar uma propriedade especial à liga ternária. Os fatores que determinam a estrutura do ferro fundido são a composição química e a velocidade de resfriamento. Os elementos químicos presentes em maior quantidade na estrutura do ferro fundido (carbono e silício) determinam, respectivamente, a quantidade de grafita formada e a própria formação da grafita que favorece a decomposição da cementita carboneto de ferro. A presença do silício pode permitir a tendência do ferro fundido em se tornar branco ou cinzento. Outros elementos, como fósforo e enxofre, apresentam ação menos significativa em relação à tendência grafitizante, embora o fósforo seja um estabilizador do carboneto de ferro, atuando na estrutura do material. A velocidade de resfriamento está relacionada à solidificação do material no interior dos moldes e à espessura das peças moldadas. No caso de elevadas velocidades de resfriamento, como acontece em seções muito finas ou em áreas muito próximas às paredes do molde, o tempo de decomposição é muito breve e a grafita não se forma, o que faz o ferro fundido tornar-se branco.




   

Dependendo da quantidade de cada elemento e da maneira pela qual o material é resfriado ou tratado termicamente, o ferro fundido pode ser classificado em cinzento, branco, maleável e modular. O fator que constata a classificação em cinzento ou branco é a aparência da fratura do material depois de frio; essa aparência, por sua vez, é determinada pela solidificação da massa metálica, que pode se apresentar de duas formas: como cementita (Fe3C) ou como grafita, um mineral de carbono.

-  

No ferro fundido cinzento, o carbono se apresenta sob a forma de grafita, em flocos ou lâminas, responsável pela cor acinzentada do material. Como o silício favorece a decomposição da cementita em ferro e grafita, esse tipo de liga ferrosa apresenta um teor maior de silício, de até 2,8%. Outro fator que auxilia a formação da grafita é o resfriamento lento.      - em razão de

apresentar boa usinabilidade e grande capacidade de amortecer vibrações, é empregado nas indústrias de equipamentos agrícolas e de máquinas, na mecânica pesada, na fabricação de blocos e cabeçotes de motor, carcaças e platôs de embreagem, suportes, barras e barramentos para máquinas industriais.

-   

O ferro fundido branco é formado no processo de solidificação, quando não ocorre a formação de grafita e todo o carbono fica na forma de carboneto de ferro ou cementita. Para que isso aconteça, tanto os teores de carbono quanto os de silício devem ser baixos e a velocidade de resfriamento deve ser maior. Nos ferros fundidos brancos ligados, elementos como cromo, molibdênio e vanádio funcionam como estabilizadores dos carbonetos, aumentando a dureza.




     - por causa da

elevada dureza, o ferro fundido branco é frágil, embora tenha grande resistência à compressão, ao desgaste e à abrasão. Essa resistência e dureza se mantêm mesmo sob temperaturas elevadas e por essa razão é empregado em equipamentos de manuseio de terra, mineração e moagem, rodas de vagões e revestimento de moinhos.

-  .% O ferro fundido maleável é produzido a partir de um ferro fundido branco submetido a um tratamento térmico, por várias horas, de modo a tornar o material mais resistente a choques e deformações. Dependendo das condições do tratamento térmico, o ferro fundido maleável pode apresentar o núcleo preto ou branco. O ferro fundido maleável de núcleo preto, também conhecido por americano, passa por um tratamento térmico em atmosfera neutra, na qual a cementita se decompõe em ferro e carbono. O carbono forma uma grafita compacta, diferente da forma laminada dos ferro fundido cinzento. O ferro fundido maleável de núcleo branco passa por um tratamento térmico, no qual o carbono é removido por descarbonetação, não havendo a formação de grafita. Por essa razão, adquire características semelhantes às de um aço de baixo teor de carbono.     ! - o ferro fundido

maleável de núcleo preto é usado na fabricação de suportes de molas, caixas de direção, cubos de rodas, bielas, conexões para tubulações hidráulicas e industriais. O ferro fundido maleável de núcleo branco é um material indicado para a fabricação de barras de torção, corpos de mancais, flanges para tubos de escapamento e peças que necessitem de soldagem.




-    A estrutura do ferro fundido nodular apresenta partículas arredondadas de grafita, obtidas com a adição de magnésio na massa metálica ainda líquida. Com o auxílio de tratamentos térmicos adequados, esse material apresenta propriedades mecânicas como ductilidade, tenacidade, usinabilidade, resistência mecânica e, à corrosão, melhores do que as de alguns aços carbono.      - devido às

propriedades mecânicas e ao menor custo de processamento, o ferro fundido nodular está substituindo alguns tipos de aço e ferro fundido maleável na maioria de suas aplicações: mancais, virabrequins, cubos de roda, caixas de diferencial, peças de sistemas de transmissão de automóveis, caminhões e tratores.

        Os produtos fabricados são normalizados por um conjunto de normas ou padrões, de modo a garantir que as matéria primas e os componentes de um projeto apresentem as características e propriedades adequadas, bem como a permitir repor com facilidade qualquer peça. Os catálogos de fabricantes trazem sempre as normas técnicas relativas aos produtos existentes no mercado e são atualizados de acordo com a modernização da indústria. No Brasil, essas informações são padronizadas pela norma NBR 6589 da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) que, por sua vez, é uma reunião das normas estabelecidas pela AISI (American lron and SteeL lnstitute - Instituto Americano do Ferro e do Aço) e pela SAE (Society of Automotive lndustry - Sociedade da lndústria Automotiva).




As normas para o ferro fundido estão baseadas nos dados correspondentes a suas propriedades de resistência à tração, alongamento e limite de escoamento e são representadas por números e letras. Para cada tipo de ferro fundido existe um padrão e uma representação. Assim, o ferro fundido cinzento é classificado pela norma NBR 6589, de acordo com seus limites de resistência à tração. A classificação é codificada por duas letras e um número de três dígitos: FC-XXX. As letras FC indicam que é o ferro cinzento e o número indica a resistência à tração em MPa, abreviatura de Mega Pascal, é uma unidade de medida de pressão equivalente a um Newton por milímetro quadrado ou a aproximadamente um décimo de quilograma-força por milímetro quadrado. A classificação do ferro fundido cinzento pode ser vista na tabela a seguir. Tipos

MPa

FC-100

100

FC-150

150

FC-200

200

FC-250

250

FC-300

300

FC-400

400

Por exemplo: FC-200 é um ferro fundido cinzento com 200 Mpa 2

ou aproximadamente 20 kgf/mm de resistência à tração. O ferro fundido nodular é designado por um conjunto de duas letras e um número de cinco dígitos, no qual os três primeiros algarismos indicam a resistência à tração em MPa e os dois últimos, a porcentagem de alongamento. Segundo a norma NBR 6916, o ferro fundido modular é classificado nos seguintes tipos: FE 38017, FE 42012, FE 50007, FE 60003, FE 70002 e FE 80002. Isso significa que FE 50007 é um ferro fundido modular com 500 MPa de resistência à tração e 7,0% de alongamento mínimo.




O ferro fundido maleável de núcleo preto é normalizado pela NBR 6590. Sua designação é composta por três letras e cinco dígitos, dos quais os três primeiros indicam a resistência à tração em MPa e os dois últimos representam a porcentagem de alongamento: FMP 30006, FMP 35012, FMP 45007, FMP 50005, FMP 55005, FMP 65003, FMP 70002. Assim, FMP 55005 é um ferro fundido maleável de núcleo preto com 550 MPa de limite de resistência à tração e 5% de alongamento mínimo. O ferro fundido maleável de núcleo branco é normalizado pela NBR 6914 e designado por um conjunto de quatro letras e cinco dígitos, seguindo o mesmo critério dos ferros fundidos maleáveis de núcleo preto: FMBS 38012. Para o ferro fundido branco não existe uma norma brasileira Segue-se a norma americana ASTM (American Society for Testing and Materials - Sociedade Americana de Testes e Materiais) que, por intermédio da especificação A532-75a, indica as classes em I, lI, lll, e tipos A, B, C, D , de acordo com a dureza Brinell, o tipo de moldagem, o tratamento térmico e a composição química.



  $ 

Por que o plástico é “plástico”? Por que o alumínio é mais leve que o ferro? Por que a borracha depois de esticada volta a sua forma primitiva? Por que o cobre conduz eletricidade e o plástico, não? As respostas a essas perguntas aparecem quando a gente conhece as propriedades dos materiais. Elas são a “personalidade” deles. E conhecê-las é importante, porque, quando queremos fabricar qualquer produto, não basta apenas conhecer a tecnologia de como fabricá-lo. Se não soubermos bem como cada material se comporta em relação ao processo de fabricação e ao modo como a peça é usada, corremos o risco de usar um material inadequado. Mas você deve estar pensando: “É, tudo isso é até interessante, porém acho que eu não vou fabricar nada. Só quero ser um profissional da indústria mecânica...”. Certo, mas, para ser um bom profissional, é preciso saber os comos e os porquês das coisas. Você já reparou na variedade de materiais usados na indústria moderna? Pense um pouco: para serem bonitos, baratos, práticos, leves, resistentes, duráveis, os produtos são feitos de materiais que conseguem atender, não só às exigências de mercado, mas também às exigências técnicas de adequação ao uso e ao processo de fabricação.



E quais são eles? Depende do tipo de produto que se quer e do uso que se vai fazer dele. Por exemplo: se você quiser fabricar tecidos, terá de utilizar algodão, lã, seda, fibras sintéticas. Na fabricação de móveis, você usará madeira, resinas sintéticas, aço, plásticos. Para os calçados, você terá que usar couro, borracha, plástico. Na indústria metal-mecânica, na fabricação de peças e equipamentos, você vai usar ferro, aço, alumínio, cobre, bronze. Todos esses materiais estão agrupados em duas famílias: • materiais metálicos ferrosos e não-ferrosos; • materiais não-metálicos naturais e sintéticos. Essa divisão entre metálicos e não-metálicos está diretamente ligada às propriedades desses materiais. Assim, os materiais metálicos apresentam plasticidade, isto é, podem ser deformados sem se quebrarem e conduzem bem o calor e a eletricidade. Aliás, a condutividade tanto térmica quanto elétrica dos metais está estreitamente ligada à mobilidade dos elétrons dos átomos de sua estrutura. Os não-metálicos, por sua vez, são - na maioria dos casos - maus condutores de calor e eletricidade. O quadro a seguir, ilustra essa classificação. Materiais Metálicos Ferrosos

Não-ferrosos

Não-metálicos Naturais

Sintéticos

Aço

Alumínio

Madeira

Vidro

Ferro fundido

Cobre

Asbesto

Cerâmica

Zinco

Couro

Plástico

Magnésio

Borracha

Chumbo Estanho Titânio



   Quantos tipos diferentes de materiais você acha que são usados na fabricação de um automóvel, por exemplo? Para citar apenas alguns, vamos lembrar o ferro fundido, o aço, o alumínio, o plástico, a borracha, o tecido. Cada um deles possui características próprias: o ferro fundido é duro e frágil, o aço é bastante resistente, o vidro é transparente e frágil, o plástico é impermeável, a borracha é elástica, o tecido é bom isolante térmico. Dureza, fragilidade, resistência, impermeabilidade, elasticidade, condução de calor... Todas essas capacidades próprias de cada material e mais algumas que estudaremos nesta parte da lição são o que chamamos de propriedades. O que não podemos esquecer é que cada uma delas está relacionada à natureza das ligações que existem entre os átomos de cada material, seja ele metálico ou não-metálico. Para tornar nosso estudo mais fácil, as propriedades foram reunidas em grupos, de acordo com o efeito que elas causam. Assim, temos: • propriedades físicas; • propriedades químicas. Cada uma e todas elas devem ser consideradas na fabricação de qualquer produto. Vamos, então, estudar cada grupo de propriedades.

  $ Esse grupo de propriedades determina o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização. Nele, você tem as propriedades mecânicas, as propriedades térmicas e as propriedades elétricas. As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que




lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha de uma matéria-prima.

Dentre as propriedades desse grupo, a mais importante é a resistência mecânica. Essa propriedade permite que o material seja capaz de resistir à ação de determinados tipos de esforços, como a tração e a compressão. Ela está ligada às forças internas de atração existentes entre as partículas que compõem o material. Quando as ligações covalentes unem um grande número de átomos, como no caso do carbono, a dureza do material é grande. A resistência à tração, por exemplo, é uma propriedade bastante desejável nos cabos de aço de um guindaste. A elasticidade, por outro lado, deve estar presente em materiais para a fabricação de molas de veículos. A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar, quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina. Quando se fala em elasticidade, o primeiro material a ser lembrado é a borracha, embora alguns tipos de materiais plásticos também tenham essa propriedade. Porém, é preciso lembrar que o aço, por exemplo, quando fabricado para esse fim, também apresenta



essa propriedade. É o caso do aço para a fabricação das molas.

Um material pode também ter plasticidade. Isso quer dizer que, quando submetido a um esforço, ele é capaz de se deformar e manter essa forma quando o esforço desaparece. Essa propriedade é importante para os processos de fabricação que exigem conformação mecânica, como, por exemplo, na prensagem, para a fabricação de partes da carroceiria de veículos, na laminação, para a fabricação de chapas, na extrusão, para a fabricação de tubos. Isso se aplica para materiais, como o aço, o alumínio e o latão. O que varia é o grau de plasticidade de cada um. A plasticidade pode se apresentar no material como maleabilidade e como ductilidade. A dureza é a resistência do material à penetração, à deformação plástica permanente, ao desgaste. Em geral os materiais duros são também frágeis. Por falar nisso, a fragilidade é também uma propriedade mecânica na qual o material apresenta baixa resistência aos choques. O vidro, por exemplo, é duro e bastante frágil.



Se você colocar dois cubos maciços do mesmo tamanho, sendo um de chumbo e um de plástico, em uma balança de dois pratos, será fácil perceber a propriedade sobre a qual vamos falar. Certamente, o prato com o cubo de chumbo descerá muito mais do que o prato com o cubo de plástico. Isso acontece porque o chumbo é mais denso que o plástico. Em outras palavras, cabe mais matéria dentro do mesmo espaço. Essa propriedade se chama densidade.

As propriedades térmicas determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material quanto na sua utilização. É um dado muito importante, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte. As velocidades de corte elevadas geram aumento de temperatura e, por isso, a ferramenta precisa ser resistente a altas temperaturas. O ponto de fusão é o primeiro de nossa lista. Ele se refere à temperatura em que o material passa do estado sólido para o estado líquido. Dentre os materiais metálicos, o ponto de fusão é uma propriedade muito importante para determinar sua o

utilização. O alumínio, por exemplo, se funde a 660 C, o

enquanto que o cobre se funde a 1.084 C.



O ponto de ebulição é a temperatura em que o material passa do estado líquido para o estado gasoso. O exemplo mais conhecido de ponto de ebulição é o da água que se transforma o

em vapor a 100 C. Outra propriedade desse grupo é a dilatação térmica. Essa propriedade faz com que os materiais, em geral, aumentem de tamanho quando a temperatura sobe. Por causa dessa propriedade, as grandes estruturas de concreto como prédios, pontes e viadutos, por exemplo, são construídos com pequenos vãos ou folgas entre as lajes, para que elas possam se acomodar nos dias de muito calor. O espaço que existe entre os trilhos dos trens também tem essa finalidade.

Se você segurar uma barra de metal por uma das pontas e colocar a outra ponta no fogo, dentro de um certo tempo ela vai ficar tão quente que você não poderá mais segurá-la. Isso acontece por causa da condutividade térmica, que é a capacidade que determinados materiais têm de conduzir calor. Todos os metais, são bons condutores de eletricidade, ou seja, a condutividade elétrica é uma das propriedades que os metais têm. Os fios elétricos usados em sua casa são de cobre, um metal que é um excelente condutor de eletricidade.



A resistividade, por sua vez, é a resistência que o material oferece à passagem da corrente elétrica. Essa propriedade também está presente nos materiais que são maus condutores de eletricidade. Para que você não leve choque, os mesmos fios elétricos de sua casa são recobertos por material plástico, porque esse material resiste à passagem da corrente elétrica.

  /$ As propriedades químicas são as que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de presença ou ausência de resistência à corrosão, aos ácidos, às soluções salinas. O alumínio, por exemplo, é um material que, em contato com o ambiente, resiste bem à corrosão. O ferro na mesma condição, por sua vez, enferruja, isto é, não resiste à corrosão.



   

Quando da confecção de um determinado produto, deve-se, como um dos fatores prioritários, selecionar o material adequado que o constituirá. Para tanto, o material deve ser avaliado sob dois aspectos: suas qualidades mecânicas e seu custo. Dentro de qualidades mecânicas o conhecimento das estruturas dos materiais é importante para a especificação e o seu emprego. Os materiais são divididos em metálicos e não-metálicos, sendo que os metálicos são divididos em ferrosos e não-ferrosos e os não-metálicos em naturais e sintéticos. Materiais metálicos ferrosos

não-ferrosos

não-metálicos naturais

sintéticos


 .    Desde sua descoberta os materiais ferrosos tornaram-se uma grande importância na construção mecânica. Os materiais ferrosos mais importantes são: •

Aço – liga de ferro ( Fe) e carbono ( C ) com teor de carbono inferior a 2,11% - material tenaz, de excelentes propriedades, de fácil trabalho, podendo também ser forjável.



•

Ferro fundido – liga de ferro ( Fe) e carbono ( C ) com teor de carbono entre 2,11% e 5%- material amplamente empregado na construção mecânica, e que, mesmo não possuindo a resistência do aço, pode substituí-lo em diversas aplicações, muitas vezes com grande vantagem.

Com esses materiais são fáceis de serem trabalhados, com eles é construída a maior parte de máquinas, ferramentas, estruturas, bem como instalações que necessitam materiais de grande resistência.


 .  +   São todos os demais materiais metálicos empregados na construção mecânica. Possuem empregos os mais diversos, pois podem substituir os materiais ferrosos em várias aplicações e nem sempre podem ser substituídos pelos ferrosos. Esses materiais são geralmente utilizados isoladamente ou em forma de ligas metálicas, algumas delas amplamente utilizadas na construção de máquinas e equipamentos. Podemos dividir os não-ferrosos em dois tipos em função da densidade: •

3

Metais pesados (ρ > 5kg/dm ) cobre, estanho, zinco, chumbo, platina, etc.

•

3

Metais leves (ρ > 5kg/dm ) alumínio, magnésio, titânio, etc.

Normalmente, os não-ferrosos são materiais caros, logo não devemos utilizá-los em componentes que possam ser substituídos por materiais ferrosos. Esses materiais são amplamente utilizados em peças sujeitas a oxidação, dada a sua resistência, sendo muito utilizados em tratamentos galvânicos superficiais de materiais. São também bastante utilizados em componentes elétricos. Nos últimos anos, a importância dos metais leves e suas ligas tem aumentado consideravelmente, principalmente na



construção de veículos, nas construções aeronáuticas e navais, bem como na mecânica de precisão, pois têm-se conseguido ligas metálicas de alta resistência e de menor peso e, com isto, tende-se a trocar o aço e o ferro fundido por esses metais.


  +.  Existem numerosos materiais não-metálicos que podem ser divididos em: •

Naturais – madeira, couro, fibras, etc.

•

Artificiais ou sintéticos – baquelite, celulóide, acrílico, etc.

Os materiais plásticos estão sendo empregados em um número cada vez maior de casos como substitutos de metais. Daí a necessidade de conhecermos um pouco mais esses materiais que vêm-se tornando uma presença constante nos campos técnico, científico, doméstico, etc.

     A maioria dos metais ao se solidificar experimenta uma contração de volume, o que indica uma menor separação entre os átomos no estado sólido. Nesse estado, os átomos animados de pequena energia cinética não conseguem deslizar livremente uns em relação aos outros. No estado sólido, os átomos não estão em repouso, mas vibram em torno de determinadas posições de equilíbrio assumidas espontaneamente por eles ao se solidificarem.



Essas posições não são assumidas ao acaso, pelo contrário, apresentam uma ordenação geométrica especial característica, que é uma função na natureza do metal. Essa disposição ordenada, característica dos metais sólidos e de outros materiais não-metálicos, denomina-se estrutura cristalina.

)     Dentre as estruturas destacamos três tipos: 1. rede cúbica de faces centradas Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.

2. rede cúbica do corpo centrado Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.



3. hexagonal compacta Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. −

A dimensão da rede varia de tipo para tipo.

A transformação mecânica dos metais (tais como laminação, dobramento, estampagem) depende do tipo da estrutura cristalina. Nas estruturas do tipo (1) a transformação ocorre facilmente, enquanto na estrutura (3) a transformação é mais fácil de ser verificada. No processo do dobramento de metais que possuem o tipo (3) – exemplo: Mg e Zn, a peça pode quebrar mais facilmente do que nos metais que possuem estrutura do tipo (1) – exemplo: aço ou Al.

-     

A estrutura cristalina, formada na solidificação através do resfriamento, irá definir a estrutura do material, os seus constituintes e propriedades. No estado líquido os átomos metálicos se movem livremente. Com a queda da temperatura, diminui a energia de movimento dos átomos e passa a predominar a força de atração entre eles. Por isto os átomos vão se unindo uns aos outros, em determinadas posições, formando os cristais (embriões). Essa formação é orientada segundo direções preferenciais, denominadas eixo de cristalização.




À medida que esses cristais crescem em direções definidas, encontram-se e estabelecem uma superfície de contato que chamamos de limite ou contorno de grãos. Observe abaixo o processo de formação da estrutura cristalina na solidificação.

O tamanho do grão na estrutura do metal varia de acordo com o número de embriões formados e com o tipo de metal. Num mesmo metal podem-se formar grãos pequenos ou grandes, se modificarmos o tempo de solidificação (velocidade de resfriamento e pressão). Se diminuirmos o tempo de solidificação, teremos uma estrutura formada por maior número de grãos (estrutura fina). Caso contrário, ocorre o inverso (estrutura grossa). As estruturas de grãos muito grandes possuem baixa resistência à tração. A figura representa no diagrama de solidificação como se processa a formação dos metais durante o resfriamento.



"/     

Costuma-se pensar que toda matéria possui três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. O elemento mais conhecido, a água, tem três estados físicos :o gelo, a água e o vapor : a diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram. Quando se adiciona energia sob a forma de calor ao gelo, este transforma-se em água, que sendo submetida a mais calor, vaporizará. Se mais energia for adicionada, alguma de suas propriedades, tais como temperatura e características elétricas, serão modificadas substancialmente. Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás. Quando isto acontece, o gás tornase um plasma eletricamente condutor, isto é, os elétrons livres transmitem corrente elétrica. Assim o plasma é considerado o quarto estado da matéria.

Para o estudo dos metais, o estado gasoso é pouco importante, e o estado plasma se restringe a aplicações na área de soldagem portanto, trataremos apenas das fases sólida e líquida.



Ao fornecermos calor a um material sólido, sua fusão ocorre em duas fases distintas: •

Ao receber energia, os átomos aumentam sua vibração. Isso se traduz fisicamente em um aumento de temperatura do corpo, até o ponto de sua temperatura de fusão. Nesta altura os átomos ainda estão fortemente ligados.

•

Uma vez atingindo o ponto de fusão, inicia-se o enfraquecimento das ligações entre os átomos. Isso ocorre através do calor fornecido ao material.

•

O calor não mais servirá para aumentar as vibrações dos átomos, mas sim para enfraquecer as suas ligações não, haverá aumento em suas temperaturas sejam enfraquecidas, tornando-se líquido o material.

Ao calor necessário para aumentar o estado de vibração dos átomos (aumentar a temperatura) chamamos de calor sensível. Já o calor necessário para enfraquecer (ou destruir completamente, no caso de vaporização) as ligações atômicas é chamado calor latente. Vamos usar o zinco para exemplificar esse processo. No diagrama ao lado coloca-se na coordenada o

vertical a temperatura (em C) e na coordenada horizontal, o tempo (em segundos).

No aquecimento contínuo, a temperatura aumenta em função do o

tempo. Quando chegar ao ponto de sólido (419 C), o metal começa a se liqüefazer. Apesar da mesma quantidade de calor recebida, a temperatura permanece constante, isso porque todo



o calor é gasto pela mudança do estado de agregação. Esta zona horizontal é chamada ponto de parada. A temperatura voltará a aumentar somente quando todo o metal estiver liqüefeito. Embaixo do ponto sólido, o estado de agregação é sólido, acima do ponto de líquido, passa a ser líquido. Na zona dos pontos de parada, o estado de agregação é líquido ou sólido. No processo de resfriamento a seqüência ocorre na ordem inversa.

". Antes de falarmos sobre ligas metálicas, é importante definir o que vem a ser uma solução sólida. Dá-se o nome de solução a uma mistura na qual não se consegue distinguir os seus diversos componentes.

Cada um dos componentes possíveis de serem distinguidos será chamado fase.



Uma solução que se encontra em estado sólido é chamada solução sólida. A figura abaixo mostra um esquema de estrutura bifásica. Uma fase é ferro puro (ferrita) e a outra cementita

Exemplo: nos aços temos uma solução sólida de Fe e C. Essa solução é chamada cementila. Ligas metálicas são misturas, em solução, de dois ou mais metais: Exemplo: Cu – Ni; Cu – Zn (latão); Cu – Sn (bronze); Fe – C (aço). Praticamente, todos os metais utilizados na indústria não são puros, mas sim ligas de uma ou mais fases.

   . Os diferentes elementos que compõem uma liga metálica são chamados componentes. Observe os exemplos ao lado.



Tipos de ligas metálicas

Solução sólida ou cristais mistos

Mistura de cristais

Combinações intermetálicas

Mistura de dois ou mais

Mistura de dois ou mais

Combinação química entre

metais que formam uma

metais que formam cada

dois metais ou um metal e

rede cristalina conjunta

um a sua rede cristalina

um não-metal.

durante o processo de

própria,

solidificação.

independentemente dos

Exemplo: Cu – Ni

outros.

Ca – Mg

Exemplo: Cd - Zn

Cu - Mg

Cu – Au

Exemplo: Fe3C (cementita)

Al - Si Os elementos são

Os elementos são

solubilizados entre si no

parcialmente solúveis

estado líquido e sólido. A

entre si no estado sólido.

solução no estado sólido

−−

A rede cristalina é complexa.

−

As características são alta dureza e fragilidade.

chama-se cristal misto.



"/   

!  0  

No processo de solidificação de uma liga de dois metais, que formam cristais mistos, a transformação do estado líquido para o estado sólido não se faz no ponto de parada, mas durante um intervalo de solidificação. No ponto líquido começam a se formar os primeiros cristais mistos. A formação e o crescimento desses cristais continuam até o ponto sólido. Em temperaturas abaixo do ponto sólido, a liga está totalmente no estado sólido.

Os componentes de uma liga têm diferentes pontos líquidos e necessitam de diferentes quantidades de calor para a sua solidificação, portanto se variarmos as porcentagens dos elementos de ligas, variarão as temperaturas dos pontos líquidos e dos pontos sólidos.



Unindo todas as temperaturas de ponto líquido e todas as temperaturas do ponto sólido, obtemos o diagrama de fases. O diagrama abaixo mostra o desenvolvimento de um diagrama de fases para uma liga Cu-Ni (cristais mistos)

,      Exemplo: para uma liga de 20% Ni e 80% Cu.

•

A linha horizontal mostra a posição (em %). Quando temos 20% Ni, autenticamente teremos 80% Cu.

•

Para cada composição temos uma temperatura inicial e uma final de solidificação.

Para a liga com 80% Cu – 20% Ni, a solidificação inicia-se no ponto B e termina no ponto D, abaixo do qual a liga está totalmente sólida.



Acima do ponto B a liga está totalmente líquida. •

Para cada composição, temos então dois pontos que geram duas linhas, dividindo o diagrama em três partes.

•

Para resfriamento, a linha chamada líquidus indica, para cada composição, a temperatura em que se inicia a solidificação e a sólidus, onde termina.

Cada região do diagrama indica fases. Acima da linha líquidus, fase totalmente líquida, abaixo da linha sólidus – fase totalmente sólida, e, entre as duas, temos o intervalo de solidificação, onde estão presentes duas fases, sólida e líquida. Seguindo a linha ABCDE traçamos o diagrama, teremos para a liga 80 Cu – 20 Ni o que está descrito na tabela. o

Ponto

N de fases presentes

Tipo da fase

Interpretação da liga

A

1

Líquida

Totalmente líquido

B

1

Líquida

Inicia-se solidificação

C

2

Líquida e sólida

Líquido – sólido

D

1

Sólida

Final de solidificação

E

1

Sólida

Totalmente sólido




   No processo de solidificação de uma liga de dois elementos que formam uma mistura de cristais, temos uma concentração definida, onde a curva de resfriamento dessa mistura é igual á curva de resfriamento e um metal puro. O gráfico abaixo mostra a curva característica de resfriamento do eutético

A liga com essa concentração tem o ponto líquido mais baixo que todas as outras concentrações e é chamada de liga eutética.

Componentes

Temperatura de

Temperatura de

fusão

fusão do eutético o

Ferro

96%

1535 C

Carbono

4%

3840 C

Cobre

55%

1083 C

Prata

45%

961 C

Alumínio fundido

Alumínio

88%

660 C

por pressão

Silício

12%

1414 C

Chumbo

327 C

Antimônio

630 C

Ferro fundido Solda prata

Chumbo duro

o

o

1200 C

o

o

o

620 C

o

o

o

327 C

o

630 C

o

577 C

o o

o

251 C




Na solidificação de uma liga que tem composição diferente da composição eutética, o elemento que está em maior proporção que a liga eutética começa a se solidificar até que a fase líquida atinja a composição eutética, ocorre então a solidificação da fase eutética em uma única temperatura. O gráfico mostra a curva de resfriamento de concentração diferente do eutético

 /     Na figura vemos a diagrama de fases Pb – Sn que forma uma mistura de cristais. A forma de obter este diagrama é análoga à do diagrama de fases de cristais mistos.



 - +  

As ligas de ferro – carbono são as mais utilizadas dentre todas as ligas metálicas. O ferro é um metal abundante na crosta terrestre e caracteriza-se por ligar-se com outros elementos, metálicos ou não metálicos, dos quais o principal é o carbono. O diagrama ferro - carbono é fundamental para facilitar a compreensão sobre o que ocorre com as ligas ferrosas quando submetidas a operações de tratamento térmico, que modificam suas propriedades mecânicas para aplicações sob as mais variadas condições de serviço. Inicialmente, observaremos as transformações do elemento ferro quando submetido ao aquecimento ou resfriamento lentos. O ferro, como todos os metais tem uma estrutura cristalina. A disposição própria e regular dos átomos de cada metal, em forma de cristais, se chama rede cristalina ou reticulado cristalino. O ferro sólido, quando aquecido ou resfriado, apresenta diferentes estruturas em seu reticulado cristalino; conseqüentemente, suas propriedades também ficam diferentes. Esse fenômeno se denomina alotropia e é representado pelas letras do alfabeto grego: α, β, γ, δ, etc.



O gráfico a seguir mostra a curva característica de resfriamento ou aquecimento. do ferro puro e sua correspondente transformação alotrópica.

o

o

No intervalo de 1538 C e 1394 C o ferro puro se solidifica em reticulado cúbico de corpo centrado CCC, chamado Fe δ (ferro delta). o

A 1394 C se realiza a reestruturação do reticulado cúbico de corpo centrado em reticulado cúbico de face centrada, o

permanecendo até 912 C. O reticulado cúbico de face centrada CFC denomina-se Fe γ (ferro gama) ou austenita.



o

A 912 C o ferro puro sofre mudança na estrutura do reticulado novamente para cúbico de corpo centrado CCC, chamado Fe α (ferro alfa) ou ferrita. Abaixo dessa temperatura, a estrutura do reticulado do ferro é cúbica de corpo centrado. o

O trecho abaixo de 770 C não representa mudança de estrutura do reticulado, mas o surgimento de propriedades magnéticas do o

o

ferro; o Feα abaixo de 770 C é magnético e acima de 770 C não tem propriedades magnéticas. A mudança estrutural do reticulado cristalino do ferro traz consigo a modificação de suas propriedades; assim, o Feα quase não dissolve o carbono; o Feγ dissolve até 2,11% de carbono e o Fe δ dissolve até 0,09% de carbono. Essa situação ocorre devido à estrutura cúbica de face centrada do Feγ apresentar uma distância maior entre os átomos do que a estrutura cúbica de corpo centrado do Feα e Feδ, então é mais fácil aceitar átomos estranhos, como por exemplo, átomos de carbono. A esse fenômeno damos o nome de solubilidade no estado sólido. O ferro puro raramente é usado, comumente está ligado com o carbono. No gráfico apresentado foi vista a curva de resfriamento ou aquecimento do ferro puro com indicações das formas alotrópicas e suas respectivas temperaturas de transformação. Nas ligas de ferro – carbono existem também as formas alotrópicas α e γ, mas as temperaturas de transformação oscilam em função do teor de carbono na liga. O diagrama abaixo de fase ferro – carbono, auxilia na visualização dessas oscilações importantes para o estudo dos aços e ferros fundidos.



O diagrama de fase ferro – carbono pode ser dividido em três partes: de 0 a 0,008%C - ferro puro de 0,008 a 2,11%C - aço de 2,11 a 6,69%C - ferro fundido

- %   +  

- α Solução sólida de carbono em ferro CCC , existente até a o

temperatura de 912 C, caracteriza-se pela baixa solubilidade de o

carbono no ferro, chegando ao máximo de 0,0218% a 727 C.



&γ Solução sólida de carbono em ferro CFC, existindo entre as o

o

temperaturas de 912 C e 1495 C, e com solubilidade máxima de o

carbono no ferro de 2,11% a 1148 C.

- δ Solução sólida de carbono em ferro CCC, sendo estável até o

1538 C, quando o ferro se liqüefaz. A solubilidade do carbono é o

baixa, atingindo um máximo de 0,09% a 1495 C. Quando não houver referência contrária, o termo ferrita, subentenderá a ferrita α .

-
 É um carboneto de ferro de alta dureza com teor de carbono de 6,69% de carbono.

" %   +  

"& Indica a ocorrência de uma parada (Arrêt) durante a transformação. Assim ao resfriar um aço com 0,77% C, observao

se uma “parada” na temperatura de 727 C, ou seja, enquanto a transformação γ →α+ Fe3C não se completar a temperatura permanecerá constante.



"& Indica a temperatura de transformação magnética do ferro CCC a o

770 C.

"&
Indica a temperatura de transformação γ →α. À medida que o teor de carbono vai aumentando, a temperatura A 3 vai o

diminuindo, até o limite de 727 C, onde se encontra com A1.

"& Indica a temperatura de transformação γ → Fe3C. Inicia-se a o

727 C com 0,77% C e vai aumentando com a elevação do teor de o

carbono, até atingir 1148 C a 2,11% C.

"!  Indica que, abaixo desta linha, todo material estará no estado sólido.

""/ Indica que, acima desta linha, todo material estará na forma líquida.

   %   +  

  *

o

Indica a presença de uma liga eutética, com 4,3% C a 1148 C.

  0 o

Indica a presença de uma liga eutetóide, com 0,77%C a 727 C.



       No ponto eutetóide se verifica uma transformação importante no o

estudo dos aços, ou seja um aço com 0,77%C acima de 727 C encontra-se no estado de austenita. No ponto eutetóide a austenita se transforma em uma mistura de duas fases – ferrita e cementita - que se denomina perlita.

A perlita tem uma estrutura finamente raiada que, semelhante a madrepérola, está formada de lâminas finíssimas superpostas, alternando-se uma camada de ferrita e outra de cementita, conforme a figura a seguir.

Assim os aços com 0,77% C são chamados de eutetóides. Aços com menos de 0,77%C são chamados hipoeutetóides e com mais de 0,77%C são chamados hipereutetóides.



Embora a perlita não seja uma fase, e sim um constituinte, é possível prever quais são as microestruturas presentes nos aços após o resfriamento lento. Os aços hipoeutetóides (até 0,77%C) apresentam em sua microestrutura ferrita e perlita conforme mostra a figura esquemática abaixo.

A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide com aproximadamente 0,3%C, submetido ao ataque reativo de nital, ampliado 200 vezes. Os grãos escuros são de perlita e os grãos brancos são de ferrita.



Os aços eutetóides (0,77%C) apresentam em sua microestrutura somente perlita, conforme mostra a figura esquemática abaixo.

A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço eutetóide com 0,77%C, submetido ao ataque reativo de nital, ampliado 1000 vezes.

Nota-se a estrutura lamelar; as linhas escuras representando a cementita e as linhas brancas a ferrita




Os aços hipereutetóides (0,77% a 2,11%C) apresentam em sua microestrutura perlita e cementita, conforme mostra a figura esquemática a seguir.

A figura a seguir mostra o aspecto micrográfico de um aço hipereutetóide com aproximadamente 1%C, submetido ao ataque reativo de picral, ampliado 200 vezes.

Nota-se que a cementita está disposta em torno dos grãos de perlita, formando uma rede. Os aços hipoeutetóides apresentarão tanto maior quantidade de ferrita quanto menos carbono contiverem, e os aços hipereutetóides tanto maior quantidade de cementita quanto mais se aproximarem do teor de 2,11% de carbono. A figura a seguir mostra de modo esquemático o teor de carbono e sua microestrutura correspondente.



,      Os aços hipoeutetóides (0,4%C por exemplo) têm pouco carbono, portanto há pouca perlita e quase nenhuma cementita livre. A maior parte de massa constitui-se de ferrita que é Feα , caracterizando-se pela baixa dureza, porém com alta ductilidade. O diagrama de fase apresentado a seguir, indica as fases presentes nos pontos determinados e o respectivo estado físico do aço hipoeutetóide com 0,4% C, quando submetido ao resfriamento lento.

A B

Temperatura aproximada o 1600 C o 1480 C

C

1450 C

D

1350 C

E

1000 C

F

780 C

G

750 C

H

727 C

I

1500 C

Estado físico líqüido

Fases presentes líqüida

o

líqüido

líqüida

o

mistura

líqüida + sólida

o

sólido

austenita

o

sólido

austenita

o

sólido

austenita

o

sólido

o

sólido

B

1500 C

C

1450 C

D

1430 C

E

1000 C

F

800 C

G

760 C

H

727 C

I

< 727 C



o

sólido

austenita + cementita perlita + cementita perlita + cementita

Comentários Toda a matéria líqüida. Todo o carbono dissolvido. Início da solidificação. Forma-se o primeiro cristal sólido. Campo bifásico. O líqüido vai transformando-se continuamente em austenita. Todo material solidificado. O último líqüido solidificou-se. Apenas sólido presente - austenita - é Fe CFC com todo carbono dissolvido. Início da transformação da austenita em cementita. O carbono começa a libertar-se. CFC transforma-se continuamente em CCC, libertando carbono para formar a cementita.

Completada a transformação.

Material pronto para ser utilizado.

 %        Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo austenítico apresentará, em temperatura ambiente, uma ou mais das fases ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de carbono.

Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica for muito rápido impede-se a formação da perlita. Certamente produz-se um rearranjo cúbico de face centrada (CFC) para cúbico de corpo centrado (CCC), porém os átomos de carbono permanecem retidos em seu núcleo. Como o resfriamento é rápido e a dimensão do reticulado cristalino α é menor que a dimensão do reticulado cristalino γ, o carbono é forçado a permanecer no reticulado cristalino α, causando deformação e tensão, a conseqüência disso é uma estrutura dura, quebradiça, acicular denominada martensita, que não é prevista no diagrama ferro carbono.



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